Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Мультимасштабное картографирование рельефа на основе создания баз геоданных
ВАК РФ 25.00.33, Картография
Автореферат диссертации по теме "Мультимасштабное картографирование рельефа на основе создания баз геоданных"
064612627
На правах рукописи
Самсонов Тимофей Евгеньевич
МУЛЬТИМАСШТАБНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ БАЗ ГЕОДАННЫХ
25.00.33 — картография
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук
Москва —2010
1 8 НОЯ 2010
004612627
Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова
Научный руководитель:
доктор географических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация:
Лурье Ирина Константиновна
Симонов Юрий Гаврилович Верещака Тамара Васильевна
Институт географии РАН
Защита состоится 25 ноября 2010 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д-501.001.61 в Московском государственном университете имени М. В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М. В. Ломоносова, географический факультет, 21 этаж, аудитория 2109.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова на 21 этаже.
Автореферат разослан 21 октября 2010 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В.Ломоносова, географический факультет, учёному секретарю Диссертационного совета Д-501.001.61, факс: +7 495 932-88-36, e-mail: science@geogr.msu.ru.
Учёный секретарь Диссертационного совета,
кандидат географических наук
А. Л. Шныпарков
Общая характеристика работы
Исследования иерархических свойств объектов и пространственно-временной частотности явлений входят в число приоритетных задач современной географической науки. Выявление связей между компонентами природной среды на разных уровнях функционирования геосистем позволяет оценивать их вклад в развитие систем более высокого порядка и тем самым получать важные географические прогнозы [Хорошев и др., 2008]. Картографическое обеспечение подобных исследований требует наличия у карт таких свойств, которые бы позволили наглядно продемонстрировать масштабные зависимости объектов и явлений. Эти свойства появляются благодаря интеллектуализации геоизображений. Ключевым из них в обозначенном контексте является многомасштабность и мультигенерализованность, т.е. возможность визуализации в любом заданном масштабе посредством перехода к соответствующим базам данных [Берлянт, 2010].
Задачей мультимасштабного картографирования (МК) является создание и использование электронных карт, обеспечивающих представление объектов во множестве масштабов. Содержание подобных карт меняется в зависимости от масштаба, установленного пользователем в интерактивной среде просмотра. Переход между масштабными уровнями основан на принципах картографической генерализации и проявляется в изменении состава слоев, степени их подробности и типа локализации, способов изображения и оформления, топологических, сетевых отношений между объектами и т.д. Мультимасштабность с познавательной точки зрения позволяет варьировать и выбирать оптимальную детализацию карты, быстро и удобно переходить с одного уровня исследования на другой, извлекать и анализировать картографическую информацию необходимой степени обобщения.
МК наглядно раскрывает особенности строения иерархичных природных объектов, среди которых особо важную, системообразующую роль играет рельеф. Генерализация и детализация при изменении масштаба карты позволяют исследовать формы рельефа разного порядка и размеров; изучать множество уровней рельефообразования, связей рельефа с другими объектами природной среды: тектоническими структурами, речной сетью, почвами, растительностью и т.д.; прогнозировать развитие геосистем с учетом иерархических соотношений особенностей рельефа и других природных компонент; оценивать и учитывать роль рельефа на разных масштабах ведения хозяйственной деятельности человека.
Актуальность работы обусловлена потребностью современных географических исследований в интеграции карт разных масштабов при изучении рельефа, неразработанностью методов изображения и генерализации рельефа на мультимасштабных общегеографических картах, использования мультимасштабных карт рельефа, а также проектирования необходимых для решения этих задач специализированных баз пространственных данных (геоданных).
Цель диссертационного исследования — разработка теоретических основ и методики мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа на основе создания баз геоданных с последующей практической её реализацией. Для достижения поставленной цели потребовалось:
1. Проанализировать и обобщить свойства рельефа как объекта картографирования в разных масштабах, географические принципы его составления и генерализации; оценить современное состояние разработок в области мультимасштабного картографирования, цифрового моделирования рельефа, генерализации и визуализации цифровых моделей рельефа (ЦМР), выявить недостатки методов и алгоритмов с позиций географического картографирования.
2. Разработать методику проектирования, информационного обеспечения и составления мультимасштабных карт рельефа, включая:
• критерии выбора и пути оптимизации математической основы;
• специализированный состав и структуру базы геоданных, требования к исходным данным и порядок их интеграции;
• алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность обобщенных моделей в средних и мелких масштабах;
• руководящие принципы дизайна, организации слоев и оформления мультимасштабных карт;
• приемы мультимасштабного изображения рельефа способами горизонталей, отмывки, послойной и градиентной окраски;
3. Разработать методику использования мультимасштабных карт рельефа и конкретизировать ее на примере производных морфометрических карт, составленных способом штрихов крутизны и экспозиции.
4. Реализовать предложенные методики на примере мультимасштабной карты рельефа Европейской части России в диапазоне масштабов 1:25 000— 1:50 000 000.
Методологическая база. В основу исследования положены классические труды по картографированию рельефа И. П. Заруцкой и Э. Имгофа (Е. Imhof); принципы общегеографического картографирования, изложенные в работах Т. В. Верещаки, И. П. Заруцкой и Т. Г. Сватковой; современные достижения в области геоинформационного картографирования и моделирования рельефа, отраженные в работах А. М. Берлянта, С. М. Кошеля, А. В. Кошкарева, И. К. Лурье, Б. А. Новаковского, Р. Вайбеля (R. Weibel), Б. Йенни (В. Jenny), Ж. Ли (Z. Li); принципы и методы исследования и картографирования рельефа, предложенные А. М. Берлянтом, Н. В. Башениной, Ю. Г. Симоновым, А. И. Спиридоновым.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые поставлена задача и разработана методика мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа для географических исследований, требующих интеграции карт рельефа разных масштабов.
2. Теоретически обоснованы и разработаны содержание, структура, математическая основа, требования к точности баз данных (БД) и исходным данным для целей МК рельефа. Предложен порядок согласования, интеграции и генерализации данных при наполнении БД.
3. Разработан новый алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность моделей в средних и мелких масштабах картографирования.
4. Предложен и алгоритмически обоснован с учетом классических требований построения штрихов новый вид морфометрических карт рельефа — карты штрихов крутизны и экспозиции.
5. На основе разработанной методики МК впервые создана мультимасштабная карга рельефа Европейской части России в масштабном диапазоне 1:25 ООО — 1:50 ООО ООО.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Объединение и расширение масштабных диапазонов карт, удобных для изучения форм рельефа разного иерархического ранга, посредством мультимасштабного картографирования позволяет интерактивно адаптировать детализацию и обзорность изображения к размерам изучаемых объектов, а также дает возможность проведения многоуровневого анализа.
2. Информационное обеспечение МК рельефа следует реализовывать на основе мультимасштабных баз геоданных (МБД), логическая структура которых
отличается разделением слоев на уровни детализации.
3. Мультимасштабная генерализация изображения рельефа реализуется на основе уровней детализации базы данных путем их отображения в масштабах, образующих 2-2,5-кратный ряд, и может быть обеспечена морфологически достоверными данными с использованием разработанного алгоритма генерализации ЦМР.
4. При составлении мультимасштабных карт рельефа необходима адаптация символики и оформления к особенностям электронного отображения и навигации на экране, а также согласование изображений в разных масштабах путем разработки преемственных способов изображения и выбора постоянной (или последовательно меняющейся) математической основы.
5. Систему способов изображения и комплекс морфометрических карт рельефа целесообразно дополнить новым способом штрихов крутизны и экспозиции на основе авторского алгоритма.
Практическая значимость работы заключается в эффективности разработанной методики МК: при картографическом обеспечении исследований рельефа и факторов рельефообразования на разных уровнях детализации; для установления геологической, тектонической и гидрологической обусловленности форм различного ранга и размеров, приуроченности к ним границ почв, растительности и других компонентов природной среды; для оценки рельефа при инженерном строительстве и освоении территории на локальном, региональном, макрорегиональном уровне. МК позволяет расширить спектр масштабов исследования рельефа, а также сократить временные затраты и эргономические неудобства, возникающие при совместном использовании карт нескольких масштабов. Мультимасштабные карты рельефа и соответствующие им базы данных могут быть использованы для контроля достоверности, привязки и согласования тематических слоев при составлении мультимасштабных тематических ГИС, электронных атласов, виртуальных глобусов и т.д.
Средства реализации. При разработке методики принципы географического картографирования рельефа были воплощены с помощью новейших ГИС-технологий. Апробация методики произведена в ГИС-пакете ArcGIS Desktop 10, с привлечением программирования на языках С++ и Python.
Фактический материал. В качестве источников данных были использованы открытые цифровые и бумажные топографические карты масштабов 1:25 ООО,
1:50 000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000 и 1:1 000 000, цифровые модели рельефа суши GDEM, GEBCO и GTOPO, доступные в сети Интернет.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на: Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2005, 2006); Международной научно-практической конференции «Картография — туризму», (Санкт-Петербург, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2009); 14-й, 15-й и 16-й Международных конференциях пользователей Esri в России и СНГ (Голицыно, 2008, 2009, 2010). По теме диссертации имеется 9 публикаций, в том числе одна — в издании, рекомендованном ВАК, и одна — в ежегодном международном каталоге карт Esri Map Book.
Внедрение. Результаты выполненных исследований реализованы в рамках плана научных работ кафедры картографии и геоинформатики по теме «Картографирование с использованием геоинформационных, аэрокосмических методов и телекоммуникации для эколого-географических исследований и образования» (№ гос. per. 0120.0 603 974); в рамках работ по грантам Президента РФ поддержки ведущих научных школ (НШ-171.2008.5 и НШ-3405.2010.5) и РФФИ (08-05-00126-а). Авторские разработки в области МК и автоматизации изображения рельефа использованы при составлении карт и подготовке баз геоданных для таких организаций как Росреестр, Олимпстрой, ЗАО ТД «Перекрёсток» и ООО «Дата+». Имеются акты о внедрении.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (250 наименований) и приложений. Материал изложен на 164 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 40 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность: своему научному руководителю д.г.н., профессору, заведующей кафедрой картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ И. К. Лурье, а также д.г.н., профессору, Заслуженному деятелю науки РФ А. М. Берлянту, который руководил исследованием на начальном этапе; д.г.н., Заслуженному профессору МГУ Б. Б. Серапинасу, к.г.н., ведущему научному сотруднику кафедры С. М. Кошелю за консультации и плодотворное обсуждение проблем, связанных с исследованием; а также всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за поддержку при написании диссертации; компаниям Esri CIS и Дата+ за предоставленное лицензионное программное обеспечение, цифровые карты и данные.
Содержание работы
Глава 1. Рельеф как объект картографирования в разных масштабах
Рельеф представляет собой совокупность неровностей Земной поверхности [Рычагов, 2006]. В отличие от большинства других элементов содержания карты, для рельефа характерна трехмерность изображения, что требует поиска зрительного эффекта его объемности [Востокова и др., 2002]. К изображению рельефа предъявляются требования точности, метричности, наглядности и морфологического правдоподобия [Берлянт, 2010].
Составление рельефа ведется в пределах целых форм, которые имеют свой иерархический порядок; при уменьшении масштаба происходит постепенный переход к более высоким рангам. Представление об иерархическом строении рельефа является общепринятым в геоморфологии [Щукин, 1960; Спиридонов, 1974; Ласточкин, 2002; Симонов, 2005; Рычагов, 2006]. В то же время, мнения касательно числа таксономических рангов у специалистов расходятся. Ю. Г. Симонов предлагает выделять 6 рангов [Симонов, 2005], так как более подробное иерархическое деление форм невозможно провести без логических противоречий. Масштабы крупнее 1:10 000 используются главным образом для картографирования микрорельефа. Масштабы 1:10 000 — 1:100 000 оптимальны для отображения мезоформ. Диапазон масштабов 1:200 000—1:500 000 является переходным к картографированию типов рельефа и макроформ в масштабах 1:1 000 000 — 1:10 000 000. Масштаб 1:10 000 000 и более мелкие используются для картографирования мега- и планетарных форм рельефа [Башенина, 1967; Спиридонов, 1974]. Наличие масштабных диапазонов обусловлено тем, что и сами формы рельефа каждого ранга имеют широкий диапазон размеров [Рычагов, 2006].
Анализ руководств и наставлений по составлению топографических карт [Руководство..., Часть 1, 1978; Часть 2, 1980, Часть 3, 1985] показывает, что диапазон масштабов 1:200 000 —1:500 000 является критическим с точки зрения потери геометрической точности изображения. Начиная с масштаба 1:500 000 утрирование форм и сдвиги горизонталей значительно усиливаются в целях сохранения морфологического облика рельефа. В процессе обобщения при переходе к более мелким масштабам внимание уделяется тем формам и структурным линиям рельефа, которые могут быть ясно выражены [Заруцкая, 1958; Imhof, 1982; Верещака, 2002].
При изучении рельефа по картам типовая схема работ требует выделения форм рельефа в обзорных масштабах, установления их взаимоотношений и характера соседства, после чего происходит переход к более крупным масштабам, удобным для непосредственного изучения форм [Симонов, 2005].
Широкий диапазон размеров форм рельефа одного ранга, необходимость получения обзорных характеристик, а также возможность комплексного изучения рельефа территории на нескольких уровнях с различной детализацией, очевидно, требуют интеграции и совместного использования карт нескольких масштабов и масштабных диапазонов. Эффективной платформой для подобных исследований является мультимасштабное картографирование (МК).
Глава 2. Геоинформационное обеспечение мультимасштабного картографирования рельефа
Мультимасштабное картографирование как научное направление развивается с середины 80-х годов [Marble, 1984]. Анализ исследований в этой области выявляет недостаточный уровень развития научно-методических основ МК и неутвержденность терминологического аппарата. В то же время, МК активно входит в практику, найдя применение в серьезных проектах национального и глобального уровня, таких как национальный атлас Швейцарии [Oberholzer, Hurni, 2000], электронная версия топографических карт США [Brewer, Akella, 2008], публичная кадастровая карта России на портале госуслуг Росреестра [Сапельников и др., 2010], популярные мультимасштабные карты Google Maps, Microsoft Bing Maps и Яндекс.Карты, доступные в интернете.
Большинство разработок базируется на двухстадийной схеме МК [Frye, 2006; Brewer, Buttenfield, 2007,2009], при которой на начальном этапе происходит ресурсоемкая генерализация данных и построение мультимасштабной базы данных (МБД), содержащей разделение на уровни детализации [Jones и др., 1996; Kilpelainen, 1997], а на втором — составление карты на основе подготовленной МБД. Переключение между уровнями детализации БД позволяет имитировать интерактивную генерализацию, которая теоретически может осуществляться на основе одного детального набора данных.
Как показывает анализ литературных источников, методы изображения рельефа на мультимасштабных картах и подготовки необходимых для этого БД не разработаны. Исследования, затрагивающие визуализацию мультимасштабных ЦМР [Wood, 1996; Grohmann и др., 2009; Dragut и др., 2009], ориентированы на их
морфометрический, гидрологический анализ и используют изображение для иллюстрации тематических показателей. Двухстадийная схема МК требует комплексирования методов моделирования рельефа и его генерализации при построении баз данных, а также автоматизации способов изображения рельефа при составлении карт.
Методы моделирования рельефа достаточно глубоко и полно разработаны, неоднократно систематизированы [Кравченко, 1984; Кошель, 2004; Weibel, Heller, 1991; Li и др., 2004] и не представляют сложности в использовании.
Анализ методов автоматизированной генерализации изолинейных ЦМР [Hentschel, 1979; Wu, 1981; Fei, 1993; Li, Sui, 2000; Ai, 2007] показывает их сложность и неэффективность, что связано с необходимостью учета топологических отношений между горизонталями [Zhang и др., 2007], трудностью выделения структурных линий [Tang, 1992] и необходимостью интерполяции при несовпадении сечений исходной и генерализованной ЦМР [Peled и др., 1989].
Наиболее удовлетворительные результаты дают методы генерализации сеточных и триангуляционных ЦМР, учитывающие структурные линии рельефа и его морфометрические характеристики [Weibel, 1987; Schröder, Robbach, 1994; Pedrini, 2001; Leonowicz и др., 2009, 2010; Ai, Li, 2010]. Ряд исследований посвящен иерархической декомпозиции ЦМР с помощью фрактальных методов и спектрального анализа на основе рядов Фурье [Clarke, 1988; Пузаченко и др., 2003] а также вейвлет-пребразования [Wu, 2000; Kalbermatten и др., 2009]. Однако ни один из методов не гарантирует морфологической достоверности полученных моделей. Многие алгоритмы недостаточно исследованы в этом отношении. Методы построения мультимасштабных иерархических и пирамидальных ЦМР используют формальный подход на основе допустимого отклонения по высоте между уровнями детализации [de Floriani и др., 1996], который также не обеспечивает сохранения морфологического правдоподобия.
Важную роль при создании электронных карт играет эффективность методов и алгоритмов автоматизации способов изображения. Разработаны адаптивные методы аналитической отмывки [Mark, 1992; Lukas, Weibel, 1995; Jenny, 2001]. Получили решение вопросы автоматизации способов освещенных горизонталей [Yoeli, 1983; Kennelly, Kimerling, 2001; Самсонов, 2005, 2008], наклонных горизонталей [Peucker и др., 1975; Yoeli, 1976; Kennelly, 2002; Самсонов, 2008], перспективного физиографического изображения [Jenny, Patterson, 2007]. Предложены новые
методы пространственного смешения цветовых рядов [Patterson, 2007] и комбинирования градиентной окраски по высоте и кривизне поверхности [Chiba и др., 2008]. В то же время, существующие алгоритмы автоматизации способа штрихов [Yoeli, 1985; Regnauld и др., 2002; Buchin и др., 2004] не вполне удовлетворяют требованиям их построения, включая разделение штрихов на слои между горизонталями и представление их в виде сегментов линий тока.
Глава 3. Разработка методики мультимасштабного картографирования рельефа
Основные положения разработанной методики включают: принципы выбора математической основы; определение специализированной структуры и содержания базы данных; требования к источникам данных и порядок их интеграции; алгоритм генерализации ЦМР; руководящие принципы дизайна и составления мультимасштабных карт; приемы изображения рельефа с использованием горизонталей, отмывки, красочных шкал; а также порядок использования мультимасштабных карт рельефа.
Основными факторами, определяющими особенности проектирования и составления мультимасштабных карт, являются переменность главного масштаба и территориального охвата области просмотра.
Особенностями рельефа как объекта МК являются высокая чувствительность к изменению масштаба и сложность генерализации его трехмерной модели.
Принципы выбора математической основы определяются задачами МК:
* Необходимость определения масштабного диапазона и масштабного ряда.
Масштабный диапазон (МД) карты устанавливает границы изменения масштаба,
в пределах которых будет происходить генерализация изображения. МД должен обеспечивать необходимую детализацию представления рельефа в соответствии с рангами и размерами изучаемых форм, а также их обзор при достижении мелкомасштабной границы. Масштабный ряд (MP) — это упорядоченная последовательность масштабов внутри диапазона, на которых производится составление карты и контроль ее генерализации. Для обеспечения постепенности генерализации MP должен соответствовать принципу 2-2,5-кратного изменения масштаба, аналогично системе топографических карт (табл. 1). Масштабный диапазон и ряд не накладывают каких-либо ограничений на масштабы просмотра, которые в общем случае являются произвольными.
* Использование для отображения единой проекции независимо от масштаба
либо постепенная смена проекции обеспечивают согласованность изображений между масштабами. При картографировании больших по охвату территорий с переходом от крупных масштабов к мелким целесообразно использование нормальных цилиндрических проекций, для которых характерно постоянство ориентировки меридианов и параллелей по сторонам света вне зависимости от области и масштаба просмотра. Параметры проекции (центральный меридиан, секущие и касательные параллели) следует оптимизировать таким образом, чтобы частные масштабы длин и площадей отличались минимально от главного. • Использование для расчетов наилучшей локальной проекции, оптимальной для охвата анализируемого участка, необходимо для минимизации искажений при решении картометрических и морфометрических задач при условии постоянства проекции отображения.
Таблица 1.
Пример масштабного ряда карты для изучения мезо- и макрорельефа
Масштаб Уровень
1:50 ООО мезорельеф
1:100 000 мезорельеф
1:200 000 мезорельеф и макрорельеф
1:500 000 мезорельеф и макрорельеф
1:1 000 000 макрорельеф
1:2 500 000 макрорельеф
1:5 000 000 макрорельеф и мегарельеф
1:10 000 000 мегарельеф (обзорный)
В проектировании структуры и содержания базы данных следует выделить три уровня: концептуальный, логический и физический.
Состав слоев БД, определяемый на концептуальном уровне, формируется данными о рельефе и гидрографии. Целесообразно разделить слои на три функциональные группы: базовые, вспомогательные (производные) и аналитические (табл. 2). В зависимости от исследовательской задачи состав вспомогательных и аналитических слоев может быть расширен.
На логическом уровне проектирования мультимасштабной базы данных должно быть определено ее разделение на уровни детализации [Самсонов, 2009]. Высокая чувствительность изображения рельефа к изменению масштаба обуславливает необходимость выделения для каждого масштаба ряда своего уровня детализации БД. Для представления ЦМР и производных от нее слоев оптимально использование растровой модели данных. Логическая структура БД представлена на рис. 1. Она
и
допускает расширение состава уровней детализации за счет включения слоев другой тематики, что определено на рисунке значком «~».
Таблица 2.
Состав слоев БД для мулътимасштабного картографирования рельефа
Тема
Рельеф Гидрография
Базовые слои предоставляют необходимый и достаточный набор данных для общегеографического картографирования рельефа цифровая модель высот
отметки высот отметки урезов воды
площадные объекты ледники, скалы и т.д. площадные объекты озера, вдхр. и т.д.
линейные объекты бровки оврагов, обрывы, промоины, сухие русла и т.д. линейные объекты реки, ручьи, каналы и т.д.
точечные объекты вулканы, ямы, бугры и т.д. точечные объекты источники и т.д.
Вспомогательные слои используются для изображения рельефа, могут быть получены непосредственно из базовых, но хранятся в БД для оптимизации скорости отображения горизонтали
отмывка
Аналитические слои в изображении рельефа не участвуют, но наряду с базовыми служат основой его анализа и генерализации углы наклона
экспозиция
кривизна
направление тока
аккумуляция тока
При обосновании разрешения ЦМР на разных уровнях детализации следует учитывать такие факторы, как морфологический характер рельефа, детализация исходных данных, а также условия использования карты, в частности, разрешение экрана и расстояние от экрана до наблюдателя. Разрешение ЦМР должно обеспечивать четкое воспроизведение характера структурных линий, отражающих морфологию рельефа. В стандартных условиях работы на компьютере эта величина соответствует 0,2-0,25 мм (в масштабе 1:1 ООО ООО это составит 200-250 м). Данное разрешение можно рекомендовать для уровней детализации ЦМР, покрывающих морфологически разнородные территории (как правило, в мелких масштабах). Для равнинного рельефа подобное разрешение может оказаться избыточным, что даст возможность его укрупнить в 2 раза на более подробных уровнях детализации.
Растр -
базовые
вспомогательные аналитические
точечные
линейные объекты площадные " , отметки высот и урезы воды
Рис. 1. Логическая структура базы данных для обеспечения мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа
Выбор источников и интеграция исходных данных должны быть ориентированы на заполнение максимального числа уровней детализации, что уменьшит объем работ по генерализации данных. Основным требованием к данным является соответствие нормам плановой и высотной точности, зафиксированным в официальных документах для соответствующих масштабов. По разработанной мтеодике исходные данные сначала подвергаются согласованию и приводятся в соответствие с выбранной математической основой, после чего осуществляется их интеграция в соответствующие уровни детализации БД. Неохваченные источниками уровни следует заполнить путем генерализации готовых уровней.
Процедура генерализации объектов базы данных наиболее сложна для ЦМР в силу ее трехмерности. В процессе поиска решения этой проблемы был разработан авторский алгоритм генерализации ЦМР (рис. 2).
Рис. 2. Схема авторского алгоритма генерализации ЦМР Первоначально на основе ЦМР выделяются тальвеги, значимые в исходном масштабе, которые затем генерализуются в соответствии с целевым масштабом. Для основных тальвегов строятся их водоразделы. Далее отбираются те тальвеги, которые непосредственно впадают в основные, и для них также строятся водоразделы (второго порядка). Поверхность восстанавливается путем триангуляции основных водоразделов и тальвегов, а также водоразделов второго порядка, которые «заполняют» малые отрицательные формы.
Похожие алгоритмы предлагались и ранее [Jordan, 2007; Ai, Li, 2010]. Основное отличие разработанного алгоритма заключается в том, что он не использует порядковую классификацию тальвегов, а генерализует их исходя из суммарной длины, как это сделано в работе [Leonowicz et al., 2009]. Из каждой ячейки растра вверх по склону прослеживается линия тока вплоть до истока тальвега 1-го порядка (в точках слияния алгоритм идет в сторону большей аккумуляции тока). Это дает более достоверный результат генерализации, т.к. удаление тальвегов на основе их порядка может привести к исключению значимых отрицательных форм с низким порядком тальвега, а также исключению коротких истоков рек.
Поскольку местоположение каркасных линий (тальвегов, водоразделов) при
генерализации не меняется, днища долин перестают выражаться в масштабе, что приводит к появлению вдоль тальвегов разорванных горизонталей. Для устранения этого эффекта полученная модель подвергается постобработке, которая позволяет расширить долины и (для компенсации) междуречья, и по своему действию аналогична сдвигам горизонталей, используемым при рукописном обобщении рельефа [Заруцкая, 1958]. Вокруг тальвегов строится несколько буферных зон с постепенно убывающими весами. Далее генерализованная модель обрабатывается с помощью фильтров верхней и нижней квартили и производится взвешенный оверлей трех моделей с использованием весов буферных зон.
Результаты тестирования алгоритма при обобщении различных морфологических типов рельефа (равнинно-эрозионного, плоскогорного, среднегорного и высокогорного) позволяют говорить о том, что он обеспечивает географически корректное обобщение профиля поверхности, объединение форм, сохранение характерных высот, перегибов и структурных линий.
Разработанные принципы составления карты основаны на использовании следующих приемов, специфичных для МК:
• Группировка слоев по тематике (рельеф, гидрография) и далее по масштабу ряда облегчает управление отображением карты на разных масштабах и обеспечивает удобную структуру ее легенды, функции которой выполняет список слоев.
• Установка диапазонов применимости масштабных уровней регулирует отображение карты в произвольных масштабах, отличных от масштабов ряда. Диапазон задает интервал масштабов, в пределах которого будет отображаться каждый масштабный уровень (группа), и по достижении границы которого будет происходить переключение на соседний уровень (табл. 3). Диапазоны оптимально устанавливать путем 1,5-кратного уменьшения масштаба в пределах малых интервалов (когда соседние масштабы отличаются в 2 раза) и 1,75-кратного в пределах больших (соседние масштабы отличаются в 2,5 раза).
Таблица 3.
Диапазоны применимости уровней масштабного ряда (пример)
Уровень Масштаб Диапазон Коэффициент Коэффициент
детализации применимости уменьшения увеличения
1 1:100 000 ...-1:150 000 1,5 —
2 1:200 000 1:150 001 -1:350 000 1,75 0,25
3 1:500 000 1:350 001 -1:750 000 1,5 0,3
4 1:1 000 000 1:750 001 -1:1 750 000 1,75 0,25
5 1:2 500 000 1:1 750 000-... — 0,3
• Обеспечение последовательности, преемственности условных обозначений и способов изображения при изменении масштаба просмотра. Для горизонталей это выражается в постепенном изменении сечения, для послойной окраски - колорита и числа градаций цветового ряда. Реализуется это требование последовательным оформлением рельефа в пределах каждой масштабной группы.
• Адаптация условных обозначений и способов изображения рельефа к специфике электронного картографирования, которая обуславливается большим расстоянием до экрана (50-60 см), низким разрешением изображения, отсутствием деления на листы, затратами времени на визуализацию и возможностью анализа слоев БД вместо анализа изображения [Самсонов, 2009]. При выборе шкал сечения необходимо учитывать, что минимально допустимое заложение должно составлять 0,5 мм, что обуславливает разрядку шкал в 2 раза в пределах высокогорных районов по сравнению с топокартами. Подписи отметок высот и горизонталей должны иметь кегль не менее 8-10 пунктов. Поскольку отсутствует деление карты на листы, необходима региональная, а не полистная дифференциация шкал сечения. В крупных и средних масштабах при большом охвате карты и значительном перепаде высот целесообразно использование градиентной, а не послойной окраски рельефа.
При использовании мультимасштабных карт возможно не только работать с отдельными масштабами изображения, но и осуществлять их сравнение путем параллельного и последовательного отображения. При параллельном отображении масштабных уровней каждому из них выделяется своя область на экране. Исследователь получает возможность видеть их одновременно. Последовательное отображение масштабных уровней реализуется посредством анимации. Сравнение масштабных уровней позволяет установить порядок объединения объектов, отражающий их значимость, изменение рисунка природных границ при переходе к более крупным или более мелким объектам картографирования.
Еще одним направлением использования МК является привязка различных природных границ (тектоники, растительности, почв, ландшафтов и т.д.) к формам рельефа определенного порядка и установления связи между ними. Для этого необходимо добавить изучаемые границы в список слоев карты и расположить их поверх масштабных групп. При изменении масштаба карты будет происходить переключение масштабных групп, сопровождающееся генерализацией изображения рельефа, при этом детализация изучаемого слоя будет оставаться неизменной. Это позволит определить масштаб (и соответствующий иерархический уровень форм
рельефа), в котором наблюдается наиболее близкое совпадение контуров изображений. Аналогичным образом карта может быть использована как базовая для согласования и оценки достоверности тематических слоев в разных масштабах.
Использование ЦМР в качестве основного базового слоя позволяет получать производные тематические изображения: экспозиции, углы наклона, кривизны, а также штрихи крутизны и экспозиции, для построения которых разработан
Рис. 3. Схема авторского алгоритма построения штрихов В отличие от ранее предложенных, данный алгоритм позволяет полностью реализовать классические требования [Lehmann, 1799] благодаря использованию каркаса из изолиний, аппроксимации штрихов в виде линий тока и вставке дополнительных штрихов в областях дивергентного поведения поверхности [Самсонов, 2006, 2008].
Глава 4. Создание мультимасштабной карты рельефа Европейской части России
Разработанная методика реализована на примере создания мультимасштабной карты рельефа Европейской части России в диапазоне масштабов 1:25 ООО -1:50 000 000, которая обеспечивает возможность изучения рельефа на мезо- и макроуровне с постепенным переходом между ними. Перед составлением карты было выполнено ознакомление с региональными особенностями строения рельефа, которые послужили основанием для оценки достоверности генерализации, а также помогли выбрать наиболее подходящие способы изображения и их параметры. В качестве программной платформы использовался ГИС-пакет ArcGIS Desktop 10, выбор которого обусловлен возможностью реализации предложенной методики.
С учетом общего охвата карты в качестве обзорного был выбран масштаб 1:50 000 000. Масштабный ряд сформирован по принципу 2-2,5-кратного изменения
масштаба и расширен до масштаба 1:200 ООО на территорию Среднерусской возвышенности и масштаба 1:25 ООО на черноморское побережье Кавказа. Согласно методике выполнен отбор подходящих источников данных и оценка их точности и достоверности. После проведения интеграции исходных данных цифровые модели в БД покрывали масштабы 1:25 000, 1:50 000 и 1:100 000 (Кавказ) и 1:200 000 (Среднерусская возвышенность), а векторные данные — масштабы 1:1 000 000 и крупнее. Для обеспечения остальных масштабов и территорий картографирования была произведена генерализация ЦМР с использованием авторского алгоритма, который реализован в виде инструментов генерализации на базе стандартных средств ArcGIS Desktop. Генерализация векторных слоев выполнена путем отбора объектов, упрощения их очертаний и обобщения характеристик. В результате была получена база геоданных, обладающая искомой структурой и наполнением (рис. 4).
Растровые данные
УРОВЕНЬ ДЕТАЛИЗАЦИИ
аккумуляция тока экспозиция
направление тока
ЦМР
отмывка при боковом < освещении отмывка при отвесном освещении
углы наклона
LJ Raster
+ 9 Raster _k025,gdb + 9 Raster JcQ50,gdb + 9 Raster_kl00.gdb + 3 Raster_k200.gdb + 9 RasterJSOO.gdb — 9 Raster_mGl,gdb -
acc_Elbrus acc_Euro aspect_Elbrus aspect_Euro dir_Elbrus dir_Euro elevation ^Elbrus elevation_Euro hill_Elbrus hill_Euro • hillJLEIbrus hill_ VJuro slope_Elbrus slope_Euro Raster_m02.gdb _ Raster_m05.gdb
9 RasterjnlO.gdb
9 Raster_nn20.gdb 3 Raster_m50.gdb
Векторные данные
Q Vector
+ 9 Vector_k025,gdb + 9 Vector _k050, gdb + 9 Vector _kl 00. gdb + 9 Vector_k200,gdb + 9 Vector _k500,gdb — 9 Vector_m01.gdb
+ -¡J Administrative
+ -_jJ Economy ——-
+ -J Geodesy -
+ Ground-
+ -¿I Hydrography -- Pjl Relief-
два региона (фрагментация)
iiJ cont_Elbrus Я cont_Euro (51 rlflin --------линейные объекты
АТД
производственные объекты
геодезическая сеть грунты гидрография рельеф
горизонтали, построенные по ЦМР
данные ЦТК
транспортная инфраструктура - растительность
'■ 'i rlfpnt точечные объекты |Ш rlfpol площадные объекты ¿г] rlhlin горизонтали (3 rlhpnt отметки высот Settlements — поселения + J Transport -+ -_jJ Vegetation -+ 9 Vector_m02.gdb + 9 Vector_m05.gdb + 9 Vector_ml0.gdb + 9 Vector_m20.gdb + 9 Vector_m50.gdb 9 Base.gdb
(gl frame-рамка
a scale_regions — разграфка
масштабных уровней
Рис. 4. Структура и состав базы геоданных (на примере уровня детализации для масштаба 1:1 000 000 с фрагментацией покрытия на два региона)
ШяШ
а 1:5 ООО ООО
- 0 Населенные пунеты (точки) Численность населения «> 500000 — 1000000 о 100000 — 500000 о 10000 — 100000 + 0 Желе>ные дороги
0 Гидрография ♦ 0 Населенные пункты (полигоны)
Рельеф
0 Горизонтали - 0 Вспомогательные Высота
И 0 Отмывка Н 0 Послойная окраска -высота
Условны обознан!
Состав слоев БД расширен и обеспечивает мультимасштабное общегеографическое картографирование территории в целом и рельефа в частности. Все данные поделены на уровни детализации, для удобства работы векторные и растровые данные разнесены по отдельным группам. Векторные данные внутри уровней детализации сгруппированы по тематике.
При составлении карты использован предложенный принцип группировки слоев: сначала по масштабу, далее — по тематике. Для каждой масштабной группы установлен диапазон применимости; переключение групп происходит автоматическим при смене масштаба. Разработанная структура слоев представлена на рис. 5. Список слоев одновременно выполняет и функцию легенды, поэтому отдельное ее составление не производилось.
Неактивные масштабные группы
Тематическая группа
Рис. 5. Структура слоев карты (на примере масштаба 1:5 ООО ООО)
Сочетание пластического эффекта и информативности изображения было достигнуто комбинацией горизонталей, красочных шкал, а также отмывки при боковом и отвесном освещении. Опытным путем было установлено, что в масштабах 1:2 500 ООО и мельче оптимально использование послойной окраски. Цветовые шкалы отличаются преемственностью, в них избегаются яркие и насыщенные цвета, утомляющие зрение при работе с электронными картами. При этом шкалы ориентированы на комбинацию с отмывкой, что также определяет их
осветляющийся характер в верхней части спектра (рис. 6).
« 1 »• м
5000
3000 2000 1000 500 200 100 0
Рис. 6. Диаграмма шкал послойной окраски в масштабах 1:2 500 000 и мельче; пунктиром показаны вспомогательные уровни горизонталей
В масштабах 1:2 500 ООО и более мелких шкала сечения горизонталей повторяет шкалу сечения послойной окраски, однако там, где это необходимо для отражения морфологии рельефа (и при этом позволяет масштаб), введены вспомогательные горизонтали, обозначенные пунктирной линией на рис. 6.
В масштабах 1:1 000 000 и крупнее использована градиентная окраска рельефа, заимствующая базовые цвета со шкалы 1:2 500 ООО. Для территории Среднерусской возвышенности использовались цвета диапазона 0-500 м, а для Кавказа — полная шкала цветов.
inaroao.
Чаграйска
—4 Новоалександройск | Кавквзсксиi _ _ до иск op
>tupeiT'-\ \ 360
i-a ) f - - Иэобил^ныи^ v
< \^©вокубанск \ Михаил^ ^
У'Армаэир
лзетлоград
го да рн ый
Ставрополь
Успенское'
анИнс^Л
*;,5уденно0ск
Александрове ко<>
Невинномысск
КочубееЬское'<
с^Лабйнск
,мосгоеской
Эркен-Шахс
Отрадная
ЯкшоСЩкий
Псебай
Kyi)dMUtt6at>.
Зеленчуйсной Новый ^ ,
222
Малго
ниже 0 50 100 150 200 BOO 500 750 1000 1500 2000 2500 3000 4000 4500 5000 выше, м
Рис. 7. Изображение северных предгорий Большого Кавказа в основной шкале сечения и с использованием вспомогательных горизонталей 250, 400, 600 и 1250 м
в масштабе 1:2 500 000
В масштабах 1:1 000 000 и крупнее использовалась постоянная шкала сечения, которая разрежена по отношению к топографической в горных районах и сгущена на равнинах. Это позволило сделать изображение информативным настолько, насколько это позволяет работа с картой на экране компьютера. Предложенные сечения представлены в табл. 4. Пример изображения рельефа в масштабе 1:500 000 представлен на рис. В.
Мелкие масштабы карты могут быть использованы для изучения общих закономерностей строения рельефа на макроуровне. При этом масштабы 1:2 500 000 и 1:5 000 000 отличаются высокой степенью детализации, что обеспечивается подробной шкалой цветовой окраски и введением дополнительных горизонталей.
Таблица 4.
Сечения горизонталей, использованные в масштабах 1:1 ООО ООО и крупнее
Масштаб Кавказ Среднерусская возвышенность
основное сечение вспомогательные горизонтали основное сечение вспомогательные горизонтали
1 25 ООО 10 - - -
1 50 ООО 25 - - -
1 100 000 50 - - -
1 200 000 100 50, 150 20 -
1 500 000 200 50, 150, 300, 500 25 -
1 1 000 000 400 100, 200, 600, 1000 25 -
' БЫЛЫХ
\ БЫЛЫМИ
J) 1ЫРНЬ'АУЗ
ГЫР'ныдуз.
тьФу-С-
Kiitíffodaau ] Тпрбит i '.i и ¡ери
Цапери
Пахшут^
ттанари, Kfi uwcm
'lénqpu
'^"йоли
КведсьДцра —\ jftftftt ■Лч НоргЪвани Лезгоро
Шстил
.л' '• Л И. .<•. t. -у Холраг-
трнаши
АдашиI
WW- « -=-г-.-
1600 3000 4600 м
Рис. 8. Изображение рельефа Приэльбрусья в масштабе 1:500 ООО с использованием градиентной цветовой окраски. Шкала сечения горизонталей 200 м
Точность ЦМР в масштабах 1:50 000 - 1:200 000 обеспечивает проведение морфометрического анализа рельефа. Наличие готовых моделей углов наклона и экспозиции позволяет в интерактивном режиме получать эти характеристики в любой точке в пределах покрытия масштабных уровней. Модели направления и аккумуляции тока обеспечивают построение водосборных бассейнов для произвольно выбранных точек.
Для каждого уровня детализации базы данных в соответствующем масштабе могут быть получены производные морфометрические карты штрихов крутизны и экспозиции на основе авторского алгоритма. Суть предлагаемого способа заключается в вариации цвета штрихов в зависимости от экспозиции, а толщины — в зависимости от углов наклона. Полученное таким путем изображение обладает высокой информативностью и интегрирует свойства нескольких видов карт: высот (горизонталей), углов наклона, экспозиций склона, градиентного поля и линий тока. При этом оно также является пластичным и позволяет не только получать тематическую информацию о рельефе, но и воспринимать форму поверхности (рис. 9).
Экспозиция
шш.
юз"^ ■Т'юв
ю
Углы наклона
5° 15° 25° 35°
10° 20° 30° 40°
Масштаб 1:100 000
Рис. 9. Штрихи крутизны и экспозиции, полученные с помощью авторского алгоритма
ж"-
ЙЁ;: т:>>гШ
штши;
ИНГ, .
Заключение
В ходе проведенных теоретических исследований, практических разработок и апробации была достигнута цель диссертационного исследования —
теоретически обоснована, разработана и апробирована методика мультимасштаб-ного общегеографического картографирования рельефа на основе создания баз геоданных. Разработанная методика включает:
- критерии выбора и пути оптимизации математической основы;
- специализированный состав и структуру базы геоданных, требования к исходным данным и порядок их интеграции;
- алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность обобщенных моделей в средних и мелких масштабах;
- руководящие принципы дизайна, организации слоев и оформления мультимасштабных карт;
- приемы мультимасштабного изображения рельефа способами горизонталей, отмывки, послойной и градиентной окраски;
- методы использования мультимасштабных карт рельефа.
Важно отметить, что основные положения разработанной методики носят универсальный характер и могут быть использованы при составлении мультимасштабных карт любой тематики. Полученная в результате апробации мультимасштабная карта рельефа Европейской части России (1:25 000 — 1:50 000 000) обладает необходимой детализацией и содержанием для изучения рельефа на мезо- и макроуровне, обеспечивает мультимасштабную генерализацию изображения рельефа, что подтверждает достоверность разработанной методики.
Другие результаты заключаются в следующем:
• Проанализированы и обобщены свойства рельефа как объекта картографирования в разных масштабах; актуальные разработки в области мультимасштабного картографирования, цифрового моделирования рельефа, генерализации и визуализации ЦМР; показаны недостатки автоматизированных методов, выявленные с позиций географического картографирования.
• Разработаны методика и алгоритм построения морфометрических карт рельефа нового вида — карт штрихов крутизны и экспозиции.
Мультимасштабное картографирование является чрезвычайно актуальным направлением развития методики географических исследований, его главенствующая роль в современной картографии также очевидна. МК позволяет
расширить масштабный диапазон, увеличить пространственный охват и детальность исследований природных объектов и рельефа в частности. Изучение иерархии, многоуровневых связей и пространственно-временных частот явлений может быть эффективно осуществлено только с использованием мультимасштабных методов.
Основные научные результаты опубликованы в следующих работах:
В рекомендуемом ВАК издании:
1. Самсонов Т.Е. Алгоритм автоматизированного изображения рельефа способом штрихов крутизны // Вестник Московского университета. Серия 5. География. — 2008, №3. — с. 49-54.
В прочих изданиях:
2. Самсонов Т. Е. Автоматизация способов изображения пластики рельефа. Способ освещенных горизонталей. // Материалы XII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005». — М., изд-во МГУ, 2005, с. 35,
3. Самсонов Т. Е. Автоматизация способов изображения пластики рельефа. Способ штрихов крутизны. // Материалы XIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». — М., изд-во МГУ, 2006, с. 57.
4. Самсонов Т. Е. Автоматизированное изображение рельефа способом штрихов крутизны // Геопрофи.— 2007, №4. — с. 14-18.
5. Самсонов Т. Е. Передовые технологии и методика изображения рельефа для туристических карт // Картография — туризму. Материалы научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 22-24 сентября 2008 г. — СПб.: ЗАО «Карта», 2008, —с. 98-106.
6. Самсонов Т. Е. Картографический дизайн, ориентированный на Интернет: проектирование и оформление карт для веб-сервисов // ArcReview, 2009. —- №1. — с. 14-15.
7. Самсонов Т. Е. Мультимасштабные базы геоданных // Материалы конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России», Воронеж, 2-4 декабря 2009 года. — Воронеж: ВГУ, 2009. — с. 187-192.
8. Самсонов Т. Е. Мультимасштабные базы геоданных для электронных карт // Пространственные данные. — 2009. — №4. — с. 46-51.
9. Samsonov Т. Cement industry in CISCAS region, ESRI Map Book, Vol. 25, 2010, pp. 16-17.
Заказ № 118-а/10/10 Подписано в печать 18.10.2010 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1.2
ООО "Цнфровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-mail:info@cfr.ru
Содержание диссертации, кандидата географических наук, Самсонов, Тимофей Евгеньевич
Введение.
Глава 1. Рельеф как объект картографирования в разных масштабах.
1.1. Картографическое изображение рельефа как научная проблема. Общие требования к изображению.
1.2. Иерархия форм рельефа и ее соотношение с масштабами карт.
1.3. Требования к изображению рельефа на картах разных масштабов.
1.3.1. Шкала сечения горизонталей.
1.3.2. Требования к точности изображения рельефа горизонталями.
1.3.3. Изображение типов рельефа.
1.4. Географические принципы генерализации рельефа.
1.5. Выводы.
Глава 2. Геоинформационное обеспечение мультимасштабного картографирования рельефа.
2.1. Мультимаснггабное картографирование — определение и сущность.
2.1.1. История развития мультимасштабного картографирования.
2.1.2. Рельеф в исследованиях по мультимасштабному картографированию.
2.2. Цифровые модели и методы их построения.
2.3. Методы и алгоритмы автоматизированной генерализации ЦМР.
2.3.1. Методы генерализации сеточных ЦМР.
2.3.2. Методы генерализации триангуляционных ЦМР.
2.3.3. Трехмерный алгоритм Дугласа-Пейкера.
2.3.4. Методы генерализации изолинейных ЦМР.
2.3.5. Методы выделения структурных линий.
2.3.6. Выводы.
2.4. Мультимасштабные цифровые модели и методы их построения.
2.5. Методы и алгоритмы визуализации ЦМР.
2.5.1. Изолинии.
2.5.2. Освещенные горизонтали.
2.5.3. Наклонные горизонтали.
2.5.4. Штрихи.
2.5.5. Аналитическая отмывка.
2.5.6. Цветная полутоновая окраска рельефа.
2.6. Выводы.
Глава 3. Разработка методики мультимасштабного картографирования рельефа
3.1. Общая схема создания-использования электронных карт на основе баз данных.
3.2. Этапы проектирования и составления мультимасштабных карт рельефа.
3.3. Разработка элементов математической основы.
3.3.1. Обоснование масштабного диапазона и масштабного ряда карты.
3.3.2. Выбор проекции.
3.3.3. Картографическая сетка и рамка.
3.3.4. Разграфка карты.
3.4. Определение структуры и содержания базы пространственных данных.
3.4.1. Концептуальный уровень.
3.4.2. Логический уровень.
3.4.3. Физический уровень.
3.5. Выбор источников данных.
3.5.1. Цифровые и бумажные топографические карты.
3.5.2. Цифровые модели рельефа.
3.5.3. Материалы дистанционного зондирования.
3.5.4. Геодезические измерения на местности.
3.5.5. Интеграция разнородных источников.
3.5.6. Высотная точность данных.
3.5.7. Использование источников данных в мультимасштабном картографировании.
3.6. Новый алгоритм генерализации ЦМР.-.
3.6.1. Генерализация ЦМР.
3.6.2. Тестирование алгоритма.
3.7. Составление карты.
3.7.1. Разработка структуры и порядка слоев карты.
3.7.2. Требования к оформлению слоев мультимасштабных карт.
3.7.3. Составление гидрографии.
3.7.4. Составление рельефа.
3.8. Использование карты.
3.8.1. Общие вопросы использования мультимасштабных карт.
3.8.2. Использование карт рельефа. Построение производных моделей и изображений.
3.8.3. Новый алгоритм автоматизации способа штрихов.
3.9. Выводы.
Глава 4. Создание мультимасштабной карты рельефа Европейской части
России в диапазоне масштабов 1:25 ООО — 1:50 ООО ООО.
4.1. Объекты и территориальный охват картографирования.
4.1.1. Геоморфологические особенности картографируемой территории.
4.2. Средства реализации и программное обеспечение.
4.3. Математическая основа карты и источники данных.
4.4. Интеграция и генерализация данных в базе данных.
4.4.1. Источники данных, оценка их точности и достоверности.
4.4.2. Реализация алгоритма генерализации ЦМР.
4.4.3. Генерализация ЦМР.
4.4.4. Генерализация векторных данных.
4.4.5. Итоговая структура БД.
4.5. Составление карты.
4.5.1. Разработка структуры и порядка слоев.
4.5.2. Составление рельефа.
4.6. Использование карты.
4.7. Новый вид морфометрических карт штрихов крутизны и экспозиции.
4.8. Результаты апробации.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Мультимасштабное картографирование рельефа на основе создания баз геоданных"
Исследования иерархических свойств объектов и пространственно-временной частотности явлений входят в число приоритетных задач современной географической науки. Выявление связей между компонентами природной среды на разных уровнях функционирования геосистем позволяет оценивать их вклад в развитие систем более высокого порядка и тем самым получать важные географические прогнозы [Хорошев и др., 2008]. Картографическое обеспечение подобных исследований требует наличия у карт таких свойств, которые бы позволили наглядно продемонстрировать масштабные зависимости объектов и явлений. Эти свойства появляются благодаря интеллектуализации геоизображений — процессу, который зарождался в 90-е годы XX века и приобрел явные очертания в начале XXI века. A.M. Берлянт [Берлянт, 2006, 2010], анализируя современное состояние и перспективы развития, выделяет следующие свойства интеллектуальных геомоделей: синтез информации, получаемой от разных источников (съемочных систем); моделирование самих объектов и среды (космического пространства), в которой они находятся; мультимедийность, предусматривающая сочетание графической, текстовой, цифровой и звуковой информации; политематичность, то есть возможность менять содержание, «тематическое покрытие» по желанию пользователя; возможность варьирования проекциями (в том числе трехмерными), способами анимации, аудио- и видеодизайном и т.п.; многомасштабностъ и мулътигенерализованностъ, т.е. визуализация в любом заданном масштабе посредством перехода к соответствующим базам данных, свободный переход от глобуса к карте, атласу и обратно
Задачей мультимасштабного картографирования (МК) является создание и использование электронных карт, обеспечивающих представление объектов во множестве масштабов. Содержание подобных карт меняется в зависимости от масштаба, установленного пользователем в интерактивной среде просмотра. Переход между масштабными уровнями основан на принципах картографической генерализации и проявляется в изменении состава слоев, степени их подробности и типа локализации, способов изображения и оформления, топологических, сетевых отношений между объектами и т.д. Мультимасштабность с познавательной точки зрения позволяет варьировать и выбирать оптимальную детализацию карты, быстро и удобно переходить с одного уровня исследования на другой, извлекать и анализировать картографическую информацию необходимой степени обобщения.
МК наглядно раскрывает особенности строения иерархичных природных объектов, среди которых особо важную, системообразующую роль играет рельеф. Генерализация и детализация при изменении масштаба карты позволяют исследовать формы рельефа разного порядка и размеров; изучать множество уровней рельефообразования, связей рельефа с другими объектами природной среды: тектоническими структурами, речной сетью, почвами, растительностью и т.д.; прогнозировать развитие геосистем с учетом иерархических соотношений особенностей рельефа и других природных компонент; оценивать и учитывать роль рельефа на разных масштабах ведения хозяйственной деятельности человека.
Актуальность работы обусловлена потребностью современных географических исследований в интеграции карт разных масштабов при изучении рельефа, неразработанностью методов изображения и генерализации рельефа на мультимасштабных общегеографических картах, использования мультимасштабных карт рельефа, а также проектирования необходимых для решения этих задач специализированных баз пространственных данных (геоданных).
Цель диссертационного исследования — разработка теоретических основ и методики мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа на основе создания баз геоданных с последующей практической её реализацией. Для достижения поставленной цели потребовалось:
1. Проанализировать и обобщить свойства рельефа как объекта картографирования в разных масштабах, географические принципы его составления и генерализации; оценить современное состояние разработок в области мультимасштабного картографирования, цифрового моделирования рельефа, генерализации и визуализации цифровых моделей рельефа (ЦМР), выявить недостатки методов и алгоритмов с позиций географического картографирования.
2. Разработать методику проектирования, информационного обеспечения и составления мультимасштабных карт рельефа, включая:
• критерии выбора и пути оптимизации математической основы;
• специализированный состав и структуру базы геоданных, требования к исходным данным и порядок их интеграции;
• алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность обобщенных моделей в средних и мелких масштабах;
• руководящие принципы дизайна, организации слоев и оформления мультимасштабных карт;
• приемы мультимасштабного изображения рельефа способами горизонталей, отмывки, послойной и градиентной окраски;
3. Разработать методику использования мультимасштабных карт рельефа и конкретизировать ее на примере производных морфометрических карт, составленных способом штрихов крутизны и экспозиции.
4. Реализовать предложенные методики на примере мультимасштабной карты рельефа Европейской части России в диапазоне масштабов 1:25 000 — 1:50 ООО ООО.
Методологическая база. В основу исследования положены классические труды по картографированию рельефа И. П. Заруцкой и Э. Имгофа (Е. Imhof); принципы общегеографического картографирования, изложенные в работах Т. В. Верещаки, И. П. Заруцкой и Т. Г. Сватковой; современные достижения в области геоинформационного картографирования и моделирования рельефа, отраженные в работах А. М. Берлянта, С. М. Кошеля, А. В. Кошкарева, И. К. Лурье, Б. А. Новаковского, Р. Вайбеля (R. Weibel), Б. Йенни (В. Jenny), Ж. Ли (Z. Li); принципы и методы исследования и картографирования рельефа, предложенные А. М. Берлянтом,
Н. В. Башениной, Ю. Г. Симоновым, А. И. Спиридоновым.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые поставлена задача и разработана методика мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа для географических исследований, требующих интеграции карт рельефа разных масштабов.
2. Теоретически обоснованы и разработаны содержание, структура, математическая основа, требования к точности баз данных (БД) и исходным данным для целей МК рельефа. Предложен порядок согласования, интеграции и генерализации данных при наполнении БД.
3. Разработан новый алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность моделей в средних и мелких масштабах картографирования.
4. Предложен и алгоритмически обоснован с учетом классических требований построения штрихов новый вид морфометрических карт рельефа — карты штрихов крутизны и экспозиции.
5. На основе разработанной методики МК впервые создана мультимасштабная карта рельефа Европейской части России в масштабном диапазоне 1:25 ООО — 1:50 000 000.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Объединение и расширение масштабных диапазонов карт, удобных для изучения форм рельефа разного иерархического ранга, посредством мультимасштабного картографирования позволяет интерактивно адаптировать детализацию и обзорность изображения к размерам изучаемых объектов, а также дает возможность проведения многоуровневого анализа.
2. Информационное обеспечение МК рельефа следует реализовывать на основе мультимаснггабных баз геоданных (МВД), логическая структура которых отличается разделением слоев на уровни детализации.
3. Мультимасштабная генерализация изображения рельефа реализуется на основе уровней детализации базы данных путем их отображения в масштабах, образующих 2-2,5-кратный ряд, и может быть обеспечена морфологически достоверными данными с использованием разработанного алгоритма генерализации ЦМР.
4. При составлении мультимасштабных карт рельефа необходима адаптация символики и оформления к особенностям электронного отображения и навигации на экране, а также согласование изображений в разных масштабах путем разработки преемственных способов изображения и выбора постоянной (или последовательно меняющейся) математической основы.
5. Систему способов изображения и комплекс морфометрических карт рельефа целесообразно дополнить новым способом штрихов крутизны и экспозиции на основе авторского алгоритма.
Практическая значимость работы заключается в эффективности разработанной методики МК: при картографическом обеспечении исследований рельефа и факторов рельефообразования на разных уровнях детализации; для установления геологической, тектонической и гидрологической обусловленности форм различного ранга и размеров, приуроченности к ним границ почв, растительности и других компонентов природной среды; для оценки рельефа при инженерном строительстве и освоении территории на локальном, региональном, макрорегиональном уровне. МК позволяет расширить спектр масштабов исследования рельефа, а также сократить временные затраты и эргономические неудобства, возникающие при совместном использовании карт нескольких масштабов. Мультимасштабные карты рельефа и соответствующие им базы данных могут быть использованы для контроля достоверности, привязки и согласования тематических слоев при составлении мультимасштабных тематических ГИС, электронных атласов, виртуальных глобусов и т.д.
Средства реализации. При разработке методики принципы географического картографирования рельефа были воплощены с помощью новейших ГИС-технологий. Апробация методики произведена в ГИС-пакете ArcGIS Desktop 10, с привлечением программирования на языках С++ и Python.
Фактический материал. В качестве источников данных были использованы открытые цифровые и бумажные топографические карты масштабов 1:25 ООО, 1:50 000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000 и 1:1 000 000, цифровые модели рельефа GDEM, GEBCO и GTOPO, доступные в сети Интернет.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на: Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2005, 2006); Международной научно-практической конференции «Картография — туризму», (Санкт-Петербург, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2009); 14-й, 15-й и 16-й Международных конференциях пользователей Esri в России и СНГ (Голицыно, 2008, 2009, 2010). По теме диссертации имеется 9 публикаций, в том числе одна — в издании, рекомендованном ВАК, и одна — в ежегодном международном каталоге карт Esri Map Book.
Внедрение. Результаты выполненных исследований реализованы в рамках плана научных работ кафедры картографии и геоинформатики по теме «Картографирование с использованием геоинформационных, аэрокосмических методов и телекоммуникации для эколого-географических исследований и образования» (№ гос. per. 0120.0 603 974); в рамках работ по грантам Президента РФ поддержки ведущих научных школ (НШ-171.2008.5 и НШ-3405.2010.5) и РФФИ (08-05-00126-а). Авторские разработки в области МК и автоматизации изображения рельефа использованы при составлении карт и подготовке баз геоданных для таких организаций как Росреестр, Олимпстрой, ЗАО ТД «Перекрёсток» и ООО «Дата+». Имеются акты о внедрении.
Автор выражает глубокую благодарность: своему научному руководителю д.г.н., профессору, заведующей кафедрой картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ И. К. Лурье, а также д.г.н., профессору, Заслуженному деятелю науки РФ А. М. Берлянту, который руководил исследованием на начальном этапе; д.г.н., Заслуженному профессору МГУ Б. Б. Серапинасу, к.г.н., ведущему научному сотруднику кафедры С. М. Кошелю за консультации и плодотворное обсуждение проблем, связанных с исследованием; а также всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за поддержку при написании диссертации; компаниям Esri CIS и Дата+ за предоставленное лицензионное программное обеспечение, цифровые карты и данные.
Заключение Диссертация по теме "Картография", Самсонов, Тимофей Евгеньевич
3.9. Выводы
В результате проведенного исследования была разработана методика мультимасштабного картографирования рельефа на основе создания баз данных, соответствующая изначально поставленной задаче. Подробное изучение фактора мультимасштабности позволило выявить особенности проектирования и составления таких карт:
1. Для мультимасштабных карт специфичен не фиксированный масштаб, а масштабный диапазон и масштабный ряд, которые определяются территориальными и иерархическими рамками картографирования.
2. Проекция карты должна быть единой во всех масштабах для обеспечения визуальной согласованности уровней масштабного ряда или же меняться постепенно. Выбор базовой проекции определяется территориальными рамками картографирования. Для территории России оптимальны нормальные цилиндрические проекции и неприемлемы традиционные конические. В качестве альтернативного решения можно использовать виртуальное глобусное картографирование.
3. Интерактивная генерализация изображения рельефа может быть обеспечена использованием баз данных переменного разрешения, в которых слои представлены на нескольких уровнях детализации.
4. Число уровней масштабного ряда карты и уровней детализации БД определяется принципом 2-2,5-кратного изменения масштаба (разрешения). Более сильные отличия неприемлемы, что связано с высокой чувствительностью изображения рельефа к изменению масштаба.
5. Основным элементом БД является мультимасштабная ЦМР, которая обеспечивает генерализацию изображения рельефа в соответствии с масштабом просмотра. ЦМР должна быть дополнена векторными слоями данных о рельефе и гидрографии. Это отметки высот, точечные, линейные и площадные объекты рельефа, площадной слой с названиями объектов, отметки уреза воды, линейная и площадная гидрография.
6. При построении базы данных неизбежно возникает проблема генерализации ЦМР. поскольку нельзя рассчитывать на то, что будут найдены источники данных, которые совпадут по точности, охвату и детализации с аналогичными параметрами уровней детализации БД. Наиболее актуальна эта проблема в средних и мелких масштабах картографирования, где изображение рельефа подвергается значительному обобщению с сохранением типичных черт.
7. При составлении карты рельефа необходимо производить группировку слоев по тематике (рельеф, гидрография) и далее — по масштабу, что облегчает управление отображением карты на разных масштабах и обеспечивает удобную структуру ее легенды.
8. Диапазоны применимости уровней детализации оптимально устанавливать по принципу 1,5-кратного уменьшения масштаба в пределах малых интервалов (соседние масштабы отличаются в 2 раза) и 1,75-кратного в пределах больших (соседние масштабы отличаются в 2,5 раза).
9. Выбор условных обозначений и способов изображения должен учитывать специфику электронного картографирования, включая большое расстояние до экрана (50-60 см), низкое разрешение изображения, затраты времени на визуализацию и возможность анализа исходных слоев в БД вместо анализа изображения.
10. Полистное разделение шкал сечения горизонталей на мультимасштабных картах неприемлемо, поскольку отсутствует разделение карты на листы. Также как и в мелких масштабах, необходимо географическое разделение шкал по регионам и высотным поясам.
11. Сечение, принятое на бумажных топографических картах для горных территорий является слишком подробным для электронных карт, в то время как на равнинах оно часто недостаточно информативно. Проблема решается географической дифференциацией сечения, со сгущением на равнинах и разрядкой в горах. Сечения, использующиеся в соседних масштабах ряда должны образовывать монотонную последовательность.
12. В случае применения цветовой пластики оптимально использование послойной окраски в мелких масштабах и градиентной — в средних и крупных масштабах. При этом растяжку градиентной шкалы для усиления высотной пластики можно производить на основе высот, попадающих в область просмотра, но с обязательным ограничением по высотным поясам и географическим регионам. Т.е. шкала должна быть поделена на фрагменты, ограниченные «характерными» уровнями высот (0, 200, 1000 метров и т.д.).
13. Использование способа штрихов крутизны для тематического картографирования рельефа позволяет отобразить динамические свойства поверхности и величину уклона рельефа на каждом масштабном уровне. Карты в штрихах дают более локальную характеристику поверхности, чем карты линий тока и менее формальную, чем карты градиентного поля. С уменьшением масштаба эта характеристика обобщается, давая представление о характере склонов, общем направлении и интенсивности потоков на склонах крупных форм.
В соответствии с этими особенностями в данной главе были предложены, географически и технологически обоснованы:
1. Этапы проектирования и составления мультимасштабных карт рельефа.
2. Принципы выбора математической основы мультимасштабных карт
3. Специализированная структура и содержание базы данных для обеспечения мультимасштабного картографирования рельефа
4. Требования к источникам данных, области применения источников разного происхождения и точности в различных масштабах картографирования.
5. Новый алгоритм автоматизированной генерализации цифровых моделей рельефа на основе гидрологического моделирования и построения триангуляции с ограничениями, эффективный в средних и мелких масштабах картографирования. Произведена оценка достоверности полученных после генерализации моделей.
6. Новый алгоритм визуализации ЦМР способом штрихов крутизны на основе линий тока, области применения способа при изучении рельефа.
7. Структура и порядок слоев мультимасштабных карт рельефа, принципы их группировки и определения диапазонов применимости.
Принципы визуализации цифровых моделей рельефа на мультимасштабных картах с использованием горизонталей, отмывки, послойной, градиентной окраски и штрихов.
Направления использования мультимасштабных карт рельефа.
Глава 4. СОЗДАНИЕ МУЛЬТИМАСШТАБНОЙ КАРТЫ РЕЛЬЕФА ЕВРОПЕЙСКОЙ части России в диапазоне масштабов 1:25 ООО -1:50 ООО ООО
4.1. Объекты и территориальный охват картографирования.
Для апробации разработанной методики был выбран большой и геоморфологически разнообразный регион, захватывающий такие значимые географические объекты как Большой Кавказ, Восточно-Европейская равнина, Уральские горы. Задача проекта апробации — продемонстрировать возможность плавного интерактивного перехода от макро- к мезоуровню картографирования и изучения рельефа в пределах отдельных участков выбранного региона с использованием разработанной методики.
4.1.1. Геоморфологические особенности картографируемой территории
Восточно-Европейская равнина включает в себя обширную территорию между Фенноскандией и шельфовыми равнинами на севере и Альпийско-Гималайским поясом на юге. С севера на юг она простирается на 2770 км, с запада на восток — на 2100 км. Средняя высота равнины составляет 170 м, но в ее пределах располагаются низменные равнины, возвышенности, небольшие горные кряжи.
К наиболее крупным орографическим элементам равнины относятся Печорская (25— 250 м), Северодвинская (50-300 м) равнины, Северные Увалы (150-270 м), Тиманский кряж (200-470 м), Валдайская (250-315 м), Среднерусская (150-300 м), Смоленско-Московская (170-340 м) и Приволжская возвышенности; Припятская (110-180 м), Причерноморская (20-170 м), Приазовская (20-120 м) и Прикаспийская (-28 — +100 м) низменные равнины; Прибалтийские возвышенности и равнины (40-340 м), Волынская и Приднепровская возвышенности, Донецкий кряж (200-370 м), Предкавказские возвышенности и равнины (200-370 м).
Северная часть равнины подверглась четвертичному оледенению, оставившему многочисленные следы в виде моренных валов. Южная часть равнины не покрывалась материковым льдом, и развитие ее происходило целиком при участии разнообразных экзогенных процессов [Ананьев, Бредихин, 2008].
Среднерусская возвышенность (150—300 м) представляет собой волнистое плато, изрезанное оврагами и балками. Оно постепенно снижается к западу, резко ограничивается на севере долиной р. Оки и падает на востоке двумя резкими ступенями по долинам pp. Дона и Воронежа. В ее центральных участках преобладает денудационный субаэральный рельеф, сформировавшийся в палеогене и неогене. По своей морфоструктуре это моноклинально-пластовая равнина. В северной части современный рельеф соответствует строению коренных пород. Сводам тектонических поднятий соответствуют междуречья, а к впадинам приурочены речные долины [Ананьев, Бредихин, 2008].
Уральские горы являются частью Новоземельско-Уральской горной страны, протянувшейся на 4000 км от низкогорий Мугоджар до гор островов Новой Земли. Меридиональный профиль этого региона характеризуется орографическими волнами, выраженными чередованием средне- и низковысотных гор или холмистых денудационных равнин. Низкогорья Мугоджар (400-600 м) сменяются к северу среднегорьями Южного Урала (900-1600 м), которые переходят в низкогорья и холмогорья Среднего Урала (450— 800 м) и далее в среднегорья Северного и Приполярного Урала (1100-1800 м). Характерным элементом рельефа является система субпараллельных продольных депрессий, располагающихся в обрамлении низко- и средневысотных хребтов и имеющих карстово-тектоническое и денудационно-тектоническое происхождение [Ананьев, Бредихин, 2008]. Подошва Южного, Среднего и западной части Северного Урала репрезентативно очерчивается горизонталью 500 м. В то же время восточный склон Северного Урала опускается до 150-200 м.
Грядовое среднегорье Южного Урала включает систему субпараллельных хребтов и впадин шириной около 120 км. Хребты и впадины являются отражением отпрепарированных денудацией древних структур: скалистые хребты — выступов кварцитов, плотных песчаников, кристаллических сланцев, линейные впадины — грабен-синклиналей, сложенных малоустойчивыми породами.
Грядово-останцовые низкогорья и холмогорья (400—700 м) Среднего Урала характеризуются относительно выровненным рельефом. В ряде мест это холмистая равнина, слабо расчлененная речными долинами. Линейные и изометричные неглубокие депрессии имеют тектоническое, денудационно-тектоническое, карстово-тектоническое происхождение и возникли в разное время [Ананьев, Бредихин, 2008].
Наиболее расчлененным рельефом обладают грядово-увалистые и альпинотипные среднегорья Северного, Приполярного и Полярного Урала (900-1800 м). На крайнем севере Уральских гор расположена Новоземельско-Пайхойская геоморфологическая область. Низменные и возвышенные равнины занимают в ней часть острова Новой Земли, остров Вайгач и периферию Пай-Хоя, денудационная равнина в центре которого имеет вид грядового мелкосопочника. Северный остров Новой Земли почти полностью скрыт под ледниковым покровом.
На западном склоне Урала протягивается узкая (60-80 км) полоса низкогорий и плоскогорий (150—400 м). Длина этой области достигает 1300 км. В ее средней части прослеживаются низкие горные массивы с обособленными сопками-останцами. Здесь
120 находится область «парм» (150-700 м) — увалисто-плосковершинных междуречий, разделенных эрозионно- и карстово-тектоническими депрессиями.
На восточном склоне Урала между 51 и 60 с.ш. расположена территория Зауральского пенеплена, ширина которого изменяется от 230—250 км на юге до 40-50 км на севере. Здесь преобладает грядовый и холмисто-увалистый рельеф, поверхность которого срезала глубокие части земной коры и обнаружила обширные площади гранитных интрузий [Ананьев, Бредихин, 2008].
Кавказ является частью Альпийско-Гималайского горного пояса, проходящего по южной окраине Европы, южным провинциям Азии и заканчивающегося в районе Бирманского нагорья. Кавказ протянулся на 1130 км, характеризуется высокогорным, расчлененным рельефом альпийского типа. Максимальные высоты достигают 50005642 м. Морфоструктура Кавказа имеет сводовый, глыбово-блоковый тип [Ананьев, Бредихин, 2008]. Подножье Большого Кавказа хорошо очерчивается горизонталью 550 м [Заруцкая, 1958]. В пределах Кавказа находятся крупные вулканические массивы Эльбрус и Казбек.
Рассмотренные особенности строения рельефа послужили основанием для оценки достоверности его генерализации, а также помогли выбрать наиболее подходящие способы изображения и их параметры.
4.2. Средства реализации и программное обеспечение
В качестве программной платформы для реализации проекта апробации использовалась настольная ГИС ArcGIS Desktop 10. Выбор этой платформы обусловлен возможностью реализации всех стадий предложенной методики и наличием лицензионного программного обеспечения.
4.3. Математическая основа карты и источники данных.
С учетом общего охвата карты в качестве обзорного был выбран масштаб 1:50 000 000. В этом масштабе на экране компьютера обеспечивается полный охват картографируемой территории, а также частичный охват соседних географических областей (Фенноскандия, Польская равнина, Карпаты, Малая Азия, Западно-Сибирская низменность).
Поскольку при изучении мезоформ рельефа необходимо обеспечить масштаб 1:200 000 и крупнее (параграф 1.2), нижняя граница масштабного диапазона расширена до этой величины, а по возможности — до масштаба 1:25 000.'Масштабный ряд карты построен исходя из предложенного принципа 2-2,5-кратного увеличения масштаба (параграф 3.3.1).
Крупно- и среднемасштабное картографирование всей территории потребовало бы поиска, хранения и обработки гигантских объемов данных. Поэтому в пределах каждой формы были выделены и внесены в схему разграфки ограниченные участки. Схема разграфки масштабных уровней представлена на Рис. 29. Далее был произведен поиск наиболее подходящих по детализации и охвату источников данных. Сплошное покрытие всей территории обеспечивается вплоть до масштаба 1:10 ООО ООО. Начиная с масштаба 1:5 ООО ООО покрытие характеризуется уменьшением площади и фрагментацией. Масштабный ряд и используемые источники представлены в Таблице 21.
Заключение
В ходе проведенных исследований была достигнута цель диссертационного исследования — теоретически обоснована, разработана и апробирована методика мультимасштабного общегеографического картографирования рельефа на основе создания баз геоданных. Разработанная методика включает:
- критерии выбора и пути оптимизации математической основы;
- специализированный состав и структуру базы геоданных, требования к исходным данным и порядок их интеграции;
- алгоритм генерализации ЦМР, обеспечивающий морфологическую достоверность обобщенных моделей в средних и мелких масштабах;
- руководящие принципы дизайна, организации слоев и оформления мультимасштабных карт;
- приемы мультимасштабного изображения рельефа способами горизонталей, отмывки, послойной и градиентной окраски;
- методы использования мультимасштабных карт рельефа.
Полученная в результате апробации мультимасштабная карта рельефа Европейской части России (1:25 000 — 1:50 000 000) обладает необходимой детализацией и содержанием для изучения рельефа на мезо- и макроуровне, обеспечивает мультимасштабную генерализацию изображения рельефа, что подтверждает достоверность разработанной методики.
Другие результаты заключаются в следующем:
• Проанализированы и обобщены свойства рельефа как объекта картографирования в разных масштабах; актуальные разработки в области мультимасштабного картографирования, цифрового моделирования рельефа, генерализации и визуализации ЦМР; показаны недостатки автоматизированных методов, выявленные с позиций географического картографирования.
• Разработаны методика и алгоритм построения морфометрических карт рельефа нового вида — карт штрихов крутизны и экспозиции.
Понятийно-терминологический аппарат МК, используемый в диссертации, является результатом систематизации существующих разработок, сравнительного анализа текстов профильных публикаций, сопоставления используемых в них терминов, а также авторских дефиниций. Основные положения методики носят универсальный характер и могут быть использованы при составлении мультимасштабных карт любой тематики, а также общегеографических карт. В условиях терминологической неопределенности и отсутствия теоретико-географических разработок по МК, проведенные теоретические изыскания, таким образом, предоставили самостоятельный научный результат и могут быть положены в основу разработки МК как раздела географической картографии.
Разработанная методика МК имеет важное практическое значение, как в науке и образовании, так и на производстве. Впервые обеспечена многоуровневость представления рельефа не только в базах данных, но и в виде изображения. Таким образом, все геоморфологические методы, так или иначе опирающиеся на визуальный анализ карт рельефа, могут получить развитие в мультимасштабном виде. Изучение иерархии структуры рельефа, специфики рельефообразования на каждом уровне, влияние рельефа на другие составляющие природной среды и наоборот его обусловленность ими — вот те задачи, которые могут быть эффективно решаться на основе разработанной методики МК. Другой важнейшей практической составляющей является хозяйственная деятельность человека, и в первую очередь инженерное строительство, разведка полезных ископаемых, освоение территории для сельского и лесного хозяйства, ландшафтное планирование. Каждая из этих задач имеет свои аспекты на разных уровнях локализации, которые тесно связаны с влиянием рельефа, в том числе накладываемыми им ограничениями. Разработанная методика позволяет установить необходимый уровень и детализацию представления рельефа под каждый конкретный случай и извлечь. информацию для дальнейшего анализа.
Мультимасштабное картографирование является чрезвычайно актуальным направлением развития методики географических исследований, его главенствующая роль, в современной картографии также очевидна. МК позволяет расширить масштабный диапазон, увеличить пространственный охват и детальность исследований природных объектов и рельефа в частности. Изучение иерархии, многоуровневых связей и пространственно-временных частот явлений может быть эффективно осуществлено только с использованием мультимасштабных методов.
Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Самсонов, Тимофей Евгеньевич, Москва
1. Ананьев Г. С., Бредихин А. В. Геоморфология материков: учебник. — М.: КДУ, 2009. — 348 е.: ил., табл.; 16. ч.: цв. ил.
2. Батенина Н.В. Формирование современного рельефа земной поверхности. — М.: Высшая школа. 1967 — 388 с.
3. Башенина Н.В., Заруцкая И.П. Принципы генерализации геоморфологических карт крупных и средних масштабов // Вестник МГУ, серия «География». — 1969, №2. — с. 18— 24.
4. Берлянт A.M. Картографический метод исследования. — М.: Изд-во МГУ, 2-е изд., 1988. —254 с.
5. Берля}пп A.M. Геоинформационное картографирование. — М.: Астрея, 1997 — 64 с.
6. Берлянт A.M. Теория геоизображений. — М.: ГЕОС, 2006. — 262 с.
7. Берлянт A.M. Глобусы. — М.: ГЕОС, 2007. — 80 с.
8. Берлянт А. М. Картография: учебник для вузов. — 2-е издание, исправленное и дополненное. — М.: КДУ, 2010. — 238 с.
9. Берлянт A.M., Мусин О.Р., Собчук Т.В. Картографическая генерализация и теория фракталов. — М.: Астрея, 1998. — 136 с.
10. Ботавин Д.В. Обоснование структуры и содержания баз данных для изучения и картографирования русел и пойм равнинных рек. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. — М.: Географический факультет МГУ, 2009. — 133 с.
11. Верещака Т.В. Топографические карты: научные основы содержания. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. — 319 с.
12. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. — СПб: ВУС, 1999 г.
13. Востокова A.B., Кошель С.М., Ушакова JI.A. Оформление карт. Компьютерный Дизайн: Учебник для вузов. — М.: Аспект Пресс, 2002. — 288 с.
14. Герасимов И. П. Опыт геоморфологической интерпретации общей схемы геологического строения СССР // Проблемы физической географии. — 1946, №12, с. 33— 46.
15. Говоров М.О., Хорее А.Г. и др. Принципы построения объектно-ориентированных мультимасштабных геоинформационных систем в задачах экологического мониторинга (на примере региональных электронных экологических атласов). // Отчет по НИР, Грант
16. РФФИ ВУЗ, Новосибирск 1997 г., N гос. регистрации 0197.0008684-44с., Инв. N 02.9.80 0 01557 (заключительный). УДК 26.8:528.91:681.3.
17. Заруцкая И.П., Сваткова Т.Г. Проектирование и составление карт. Общегеографические карты. М: Изд-во МГУ, 1982.
18. Книжников Ю.Ф., Кравцова В. И., Тутубалина О. В. Аэрокосмические методы географических исследований: Учебник для ВУЗов. ■— М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 368 с.
19. Кошель С.М. Цифровое моделирование и анализ геополей с помощью пакета «МАГ» // Взаимодействие картографии и геоинформатики (ред. A.M. Берлянт, O.P. Мусин). — М.: Научный мир, 2000. — с. 41—49.
20. Кошель С.М. Теоретическое обоснование структуры и функций блока моделирования рельефа в ГИС: Дис. канд. геогр. наук: 25.00.35 / МГУ им. М.В. Ломоносова. — М., 2004.119 с.
21. Кошель С.М., Мусин O.P. Методы цифрового моделирования: кригинг и радиальная интерполяция // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. — 2000. №4(26)-5(27).с.32-33; — 2001. — №1(28). — с.58; — 2001. — №2(29)-3(30). — с.23-24.
22. Кошкарев A.B. Цифровое моделирование рельефа. // Морфология рельефа (под ред. Д.А. Тимофеева и Г.Ф. Уфимцева). —- М.: Научный мир, 2004. — с. 103-122.
23. Кравченко Ю.А. Методы моделирования топографических поверхностей. М.: ЦНИИГАиК, 1984. — Вып.1, 67 с.
24. Ласточкин А.Н. Системно-морфологическое обоснование наук о Земле (геотопология, структурная география и общая теория геосистем). — СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 2002.762 с.
25. Лурье И.К. Геоинформационное картографирование. Методы геоинформатики и цифровой обработки космических снимков: Учебник для вузов. — М.: КДУ, 2008. — 424 с.
26. Мамедов Э.Э. База геоданных // ArcReview, 2001. — № (4)19. — с. 3-5.
27. Мусин O.P., Сербенюк С.Н. Цифровые модели «рельефа» континуальных и дискретных географических полей // Банки географических данных для тематического картографирования. —М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. — с. 156—170.
28. Новаковский Б.А Фотограмметрия и дистанционные методы изучения Земли: картографо-фотограмметрическое моделирование: Учеб. пособие для вузов. — М.: МГУ, 1997. —208 с.
29. Новаковский Б.А., Прасолов C.B., Прасолова А.И. Цифровые модели рельефа реальных и абстрактных геополей. — М.: Научный мир, 2003. — 64 е., 40 цв. вкл.
30. Прасолов C.B. Компьютерное картографирование для решения задач морфометрического анализа рельефа земной поверхности / Дисс. канд. геогр. наук. — М.: МГУ, 2001. —150 с.
31. Препарата Ф., ШеймосМ. Вычислительная геометрия: Введение / Пер. с англ. М.: Мир, 1989.478 с.
32. Пузаченко Ю.Г. Приложение теории фракталов к изучению структуры ландшафта // Изв. РАН, серия геогр., 1997, №2, 24-40 с.
33. Пузаченко Ю Г. Формирование структуры ландшафта и методы ее изучения // Вестн. МГУ, сер. Геогр. № 1. 1999. С. 5-12.
34. Пузаченко Ю.Г., Онуфреня И. А, Алещенко Г. M Количественные методы классификации форм рельефа // Известия РАН, Сер. геогр., 2003, No2, с. 28-41.
35. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 1. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000. — М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1978. — 132 с.
36. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 2. Составление и подготовка к изданию топографических карт масштабов 1:200 000, 1:500 000. —М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1980. — 132 с.
37. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть 3. Составление и подготовка к изданию топографической карты масштаба 1:1 000 000. —М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1985. — 148 с.
38. Рычагов Г. И. Общая геоморфология: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство Московского университета: Наука, 2006. —416 е., илл.
39. Салищев К.А. Картоведение: Учебник для вузов. — 3-е изд. — М.: Издательство Московского университета, 1990. — 400 с.
40. Самсонов Т.Е. Автоматизация способов изображения пластики рельефа. Способ освещенных горизонталей. // Материалы XII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005». М., изд-во МГУ, 2005
41. Самсонов Т.Е. Автоматизация способов изображения пластики рельефа. Способ штрихов крутизны. // Материалы XIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». М., изд-во МГУ, 2006
42. Самсонов Т.Е. Автоматизированное изображение рельефа способом штрихов крутизны // Геопрофи. — 2007, №4. — с. 14—18.
43. Самсонов Т.Е. Алгоритм автоматизированного изображения рельефа способом штрихов крутизны // Вестник Московского университета. Серия 5. География. — 2008-а, №3. — с. 49-54
44. Самсонов Т.Е. Передовые технологии и методика изображения рельефа для туристических карт // Картография — туризму. Материалы научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 22-24 сентября 2008 г. — СПб.: ЗАО «Карта», 2008-6. — с. 98-106.
45. Самсонов Т.Е. Картографический дизайн, ориентированный на Интернет: проектирование и оформление карт для веб-сервисов // ArcReview, 2009-а. — №1. — с. 14—15.
46. Самсонов Т.Е. Мультимасштабные базы геоданных // Материалы конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России», Воронеж, 2-4 декабря 2009 года. — Воронеж: ВГУ, 2009-6.
47. Самсонов Т.Е. Мультимасштабные базы reo данных для электронных карт // Пространственные данные. — 2009-в. — №4. — с. 46—51.
48. Сатлъников С.А , Пипьдес Д.А., Вавилов КС. Создание единой федеральной системы государственной регистрации прав на недвижимость и государственного кадастрового учета недвижимости // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, № 1(73), 2010.
49. Сваткова Т. Г., Алексеенко Н. А. Географическое картографирование: общегеографические карты. Учебно-методическое пособие. — М.: Географический факультет МГУ, 2008. — 150 с.
50. Серапинас Б.Б. Компьютерная картометрия: прикладные и теоретические аспекты // В кн.: Metody kartograficzne mozliwosci systemow komputerowuch. Warszawa, 2001.
51. Серапинас Б.Б. Математическая картография: Учебник для вузов. — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 336 с.
52. Серапинас Б. Б. Пространственно-временная основа геоизображений // Вестник Московского университете. Серия географическая. — 2007, №4. — стр. 5-9.
53. Сербенюк С.Н. Картография и геоинформатика — их взаимодействие. — М.: Изд-во МГУ, 1990.
54. Сербенюк С.Н., Кошель С.М., Мусин O.P. Методы моделирования геополей по данным в нерегулярно расположенных точках // Геодезия и картография, 1990. — № 11. — с. 31— 35.
55. Сербенюк С.Id., Мусин O.P. Автоматизированное построение изолинейных карт и производных от них изображений // Геодезия и картография. — 1986, № 7. — с. 42—45.
56. Скворцов А. В. Триангуляция Делоне и ее применение. — Томск: Изд-во Томск, ун-та, 2002,— 128 с.
57. Симонов Ю.Г. Морфометрический анализ рельефа. — Москва-Смоленск: Изд-во СГУ, 1998. —272 с.
58. Симонов Ю. Г. Объяснительная морфометрия рельефа. — Москва: ГЕОС, 1999. — 263с.
59. Симонов Ю.Г. Геоморфология. Методика фундаментальных исследований. — СПб.: Питер, 2005,—427 с.
60. Спиридонов А.И. О геоморфологической таксономии и некоторых основных геоморфоогических понятиях // Изв. АН СССР, сер. географ. — 1961, №4. — с. 127-136.
61. Спиридонов А.И. Геоморфологическое картографирование. — М.: Недра, 1974. — 184с.
62. Строзотт Т., Шлехтвег Ш. Нефотореалистичная компьютерная графика: моделирование, рендеринг, анимация. Пер. с англ. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. — 416 с.
63. Топографическое черчение: Учебник для вузов / Лосяков H.H., Скворцов П.А., Каменецкий A.B. и др.; Ред.: Лосяков H.H. — М.: Недра, 1986. — 325 с.
64. Хорошев A.B., Артемова O.A., Матасов В.М., Кощеева A.C. Иерархические уровни взаимосвязей между рельефом, почвами и растительностью в среднетаежном ландшафте // Вестник Московского университета, серия 5 география. 2008. № 1. с. 66-72
65. Червяков В.А. Концепция поля в современной картографии. — Новосибирск: Наука, 1978. — 152 с.
66. Щукин И. С. Общая геоморфология. — М.: Изд-во МГУ, 1960. Т. 1 — 616 е.; Т. 2.; Т. 3.
67. Abler R. The National Science Foundation National Center for Geographic Information and Analysis // International Journal of Geographical Information Systems. — 1987, №1(4). — pp. 303-326.
68. Ai T. The drainage network extraction from contour lines for contour line generalization. // ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 2007, 62, pp. 93-103.
69. Ai T, Li J. A DEM generalization by minor valley branch detection and grid filling // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 65, 2010, pp. 198-207.
70. Alfeld P. Scattered data interpolation in three or more variables // Mathematical Methods in Computer Aided Geometric Design. — Academic Press, Boston, 1989. — pp. 1-33.
71. Arrell K., Carver S. Surface Roughness Scaling Trends // Proceedings of Geomorphometry 2009. Zurich, Switzerland, 31 August 2 September, 2009, pp. 120-123
72. Amante С., Eakins B.W. ETOPOl 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data Sources and Analysis. // NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC-24, 19 pp, March 2009.
73. Batcha J.P, Reese J.R. Surface determination and automatic contouring for mineral exploration, extraction and processing // Colorado School of Mines Quarterly, 1964, 14(4), pp. 187-194.
74. Baumann K., Dollner J., and Hinrichs K. Integrated multiresolution geometry and texture models for terrain visualization. // In Proc. of Joint Eurographics IEEE TVCG Symposium on Visualization 2000, 2000, pp. 157-166.
75. Bonneau G.P. Multiresolution analysis on irregular surface meshes. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 1998, 4, pp. 365-378.
76. Böhm R. Reliefgeneralisierung durch adaptive Bildfilterung von Rasterhöhenmodellen (Terrain generalisation by adaptive filtering of digital elevation models in raster format). // Kartographische Nachrichten, 2000, 50 (6), 259-265.
77. Brassel К. A model for automatic hillshading // The American Cartographer, 1974, 1(1), pp. 15-27.
78. Brassel K.E., Weibel R. A Review and Conceptual Framework of Automated Map generalization // International Journal of Geographic Information Systems, 1988, №2(3) — pp. 229-244.
79. Brewer C.A. Akella M.K. Multi-resolution Multi-scale Topographic Map Design: Toward a New Look for The National Map. // Proceeding of AutoCarto 2008, September 2008, 12 pp.
80. Brewer C.A., Buttenfield B.P. Framing Guidelines for Multi-Scale Map Design Using Databases at Multiple Resolutions // Cartography and Geographic Information Science, 2007, №34(1), pp. 3-15.
81. Brewer C.A., Buttenfield B.P. Mastering map scale: balancing workloads using display and geometry change in multi-scale mapping // Geoinformatica, 2009, DOI 10.1007/s 10707-0090083-6, 19 pp.
82. Buchin K., Costa Sousa M., Dollner J., Samavati F., Walther M. Illustrating terrains using direction of slope and lighting // In Proc. 4th ICA Mountain Cartography Workshop, 2004, pp. 259—269.
83. Buttenfield B. Research Initiative 3: Multiple Representations. Closing Report, National Center for Geographic Information and Analysis, Buffalo, 1993.
84. Buttenfield B.P. and McMaster R.B., Eds. Map Generalization: Making Rules for Knowledge Representation. Longman Scientific and Technical, London, 1991.
85. Buys J., Messerschmidt H.J., Botha J.F. Including known discontinuities directly into a triangular irregular mesh for automatic contouring purposes // Computer & Geosciences, 1991, 17(7), pp.875-881.
86. Cartographic Design Process: Artistic Interpretation With the Geodatabase / An ESRI White Paper, July 2004.
87. Cecconi A., Weibel L., Barrault M. Improving Automated Generalisation for On-Demand Web Mapping by Multiscale Databases // Symposium on Geospatial Thory, Processing and Applications, Ottawa, 2004.
88. Cetinkaya B. u dp. Contour Simplification with Defined Spatial Accuracy // Workshop of the ICA Commission on Map Generalisation and Multiple Representation June 25th 2006, 7 pp.
89. Che Mat R., Visvalingam M. Effectiveness of Silhouette Rendering Algorithms in Terrain Visualization //Proceeding National Conference on Computer Graphics and Multimedia (CoGRAMM), Melaka, Malaysia, October 2002.
90. Chen Z. Contour Generalization by a 3-Dimensional Spatial Low-Pass Filtering. // Proceedings of GIS'87, Second International Conference on Geographic Information Systems, 1987, vol. 1, pp. 375-86, San Francisco, USA.
91. Chen Z., Guevara J. A. Systematic selection of very important points (VIP) from digital elevation models for constructing triangular irregular networks. // Proceedings AutoCarto, London, pp. 475-484.
92. Cheng, G. Hierarchy Representation of Virtual Terrain Environment and Research into the Real Time Shading Technology / Ph.D. thesis, Zhengzhou Institute for Mapping and Surveying, 2000, Zhengzhou, 133 p. (in Chinese).
93. Clarke K. C. Scale-Based Simulation of Topographic Relief Cartography and Geographic Information Science, Volume 15, Number 2, April 1988 , pp. 173-181(9)
94. Demek J. generalisation on geomorphological maps. // Proc. Made Geomorphol. Mapping. Brno, 1967, pp. 36-72
95. Digital elevation models. Data users guide 5. United States Department of the Interior, U.S. Gel. Survey. Reston, Virginia, 1993. — 153 p.
96. Dinesh S. Characterization of Catchments Extracted From Multiscale Digital Elevation Models // Applied Mathematical Sciences, Vol. 1, 2007, no. 20, 963-974.
97. Dinesh S., Ahmad Fadzil M.H. Characterization of the Size Distribution of Mountains Extracted From Multiscale Digital Elevation Models // Applied Mathematical Sciences, Vol. 1, 2007, no. 10, 1410-1415.
98. Douglas D. H. Collected Algorithms // Paper No.20, Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis, Graduate School of Design, Harvard University, 1974.
99. Douglas D. H. Experiments to Locate Ridges and Channels to Create a New Type of Digital Elevation Model // Cartographies 1986, 23, 29-61.
100. Douglas D. II, Peucker T. K. Algorithms for the reduction of the number of points required to represent a digitized line or its caricature. // The Canadian Cartographer, 10 (2), 1973, pp. 112-122.
101. Dragut L., Blaschke T. Automated classification of landform elements using object-based image analysis // Geomorphology, 2006, vol. 81, pp. 330—344.
102. Dragut L., Eisank C., Strasser 71, Blaschke T. A Comparison of Methods to Incorporate153
103. Scale in Geomorphometry 11 Proceedings of Geomorphometry 2009. Zurich, Switzerland, 31 August 2 September, 2009, pp. 133-139.
104. Duchaineau, M.u dp. ROAMing terrain: real-time optimally adapting meshes. // In: Roni Yagel and Roni Yagel (Eds.), Proceedings of the 8th Conference on Visualization '97, October 18-24, 1997, Phoenix, AZ, pp. 81-88.
105. Evans I. S. Scale-Specific Landforms and Aspects of the Land Surface // Concepts and Modelling in Geomorphology: International Perspectives, Eds. I. S. Evans, R. Dikau, E. Tokunaga, H. Ohmori and M. Hirano, Tokyo, 2003, pp. 61-84.
106. Eyton, J.R. Raster contouring // Geo-Processing, 1984, Vol.2, pp. 221—242.
107. Fan■ T.G., Kobrick M. Shuttle Radar Topography Mission produces a wealth of data // Amer. Geophys. Union Eos, 2000, v. 81, p. 583-585.
108. Fei L. F. Experiments of Group-generalization of Contour Lines on Topographic Maps. // Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 18 (supplement), 1993, pp. 6-22.
109. Fowler R.J., Little J.J. Automatic extraction of irregular network digital terrain models // Computer Graphics, 1979, 13:199-207.
110. Frye C. A Product Driven Approach to Designing a Multi-Purpose Multi-Scale GIS Base Map Database that Supports High Quality Mapping // Proceedings of AutoCarto 2006, Vancouver, 17 pp.
111. Frye C., Eicher C.L. Modeling active database-driven cartography within GIS databases // Proceedings od 21st ICC of the ICA. August 10-16 2003. Durban, 7 pp.154
112. Gallant J.C. Hutchinson M.F. Scale Dependence in Terrain Analysis // Mathematics and Computers in Simulation, Volume 43, Number 3, March 1997, pp. 313-321(9).
113. Gamache M. Free and Low Cost Datasets for International Mountain Crtography // ICA Comission on Mountain Cartography Workshop, Vail de Nüria, Spain, 2004.
114. Gan-ert M., Small B., Mass C. Multiscale Mountain Waves Influencing a Major Orographic Precipitation Event // Journal Of The Atmospheric Sciences. Volume 64, 2007, pp. 711-737.
115. Geliert J.E. Das system der komplex Geomorphologischen karten. II Pet. Mitt, 1968, 112, №3, pp. 53-76.
116. Gilman C.R. Photomechanical experiments in automated cartography // Journal of the research of the U.S. Geological Survey, 1973, Vol.1, pp. 223—227.
117. Gökgöz T. Generalization of Contours Using Deviation Angles and Error Bands // The Cartographic Journal, September 2005, Vol. 42, №2, pp. 145-156.
118. Gorte B.G.H., Koolhoven W. Interpolation between isolines based on the Borgefors distance transform // ITC Journal, 1990, 3, pp.245-247.
119. Gross M.H., Gatti R., Staadt O. Fast multiresolution surface meshing. In: IEEE Visualization'95, Atlanta, Georgia, USA, Proceedings, 1995, pp. 135-142.
120. Grohmann C.H., Smith M.J., Riccomini C. Surface Roughness of Topography: A Multi-Scale Analysis of Landform Elements in Midland Valley, Scotland // Proceedings of Geomorphometry 2009. Zurich, Switzerland, 31 August 2 September, 2009, pp. 140-148.
121. Hampe, M., M. Sester, and L. Harrie. Multiple representation databases to support visualisation on mobile devices. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2004, 35:6.
122. Harrie, L., T. Sarjakoski, and L. Lehto. A mapping function for variable-scale maps in small-display cartography. Journal of Geospatial Engineering, 2002, 4(2): 111-23.
123. Hentschel W. Zur Automatischen Höhenlinien- generalisierung in topographischen Karten. / Diss. Univ. Hannover. WAVH Nr. 90., 1979, Hannover
124. Horn B.K.P. Hill shading and the reflectance map II Proceedings of the IEEE, 1981, Vol.69, No.l, pp. 14—47
125. Hutchinson M.F. Calculation of hydrologically sound digital elevation models // Proc. of the Third International Symposium on Spatial Data Handling, 1988, IGU, Columbus, Sidney, pp.117—133.
126. Hutchinson M.F. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits. // Journal of Hydrology, 1989, 106, pp.211—232.1.hofE. Cartographic Relief Presentation. Berlin, Walter der Gruyter, 1982, 416 p.
127. Jenny B. An Interactive approach to Analytical Relief Shading // Cartographica, 2001, Vol.38, No.l&2, pp.67—75.
128. Jenny B., Jenny H., Ruber S Map design for the Internet. In: M. P. Peterson (editor), International Perspectives on Maps and the Internet, Berlin Heidelberg New York: Springer, 2008, p. 31-48.
129. Jenny B., Hurni L. Swiss-Style Colour Relief Shading Modulated by Elevation and by Exposure to Illumination // The Cartographic journal, December 2006, Vol. 43, No. 3 pp. 198— 207.
130. Jenny B„ Patterson T. Introducing Plan Oblique Relief // Cartographic Perspectives, Spring 2007, No 57, pp. 21—40.
131. Jenson S. K., Domingue J. O. Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis. // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 54 (11), 1988, pp. 1593-1600.
132. Jones, C.B., Abraham I.M. Design considerations for a scale-independent database. // Second International Symposium on Spatial Data Handling. 1986, Seattle, International Geographical Union, 384-398.
133. Jones C.B., Kidner D.B., Luo L.O., Bundy G.L. and Ware J.M. Database design for a Multi-scale spatial information system // Int. Journal of GIS, vol. 10(8), 1996, pp. 901-920.
134. Jones N.L., Kennard M.J., Zundel A K. Fast algorithm for generating sorted contour strings // Computers & Geosciences, 2000, 26, pp.831-837.
135. Jordan G. Adaptive smoothing of valleys in DEMs using TIN interpolation from ridge elevations: an application to morphotectonic aspect analysis. // Computers & Geosciences 33, 2007, pp. 573-585.
136. Kennelly P.J. GIS applications to historical cartographic methods to improve the understanding and visualization of contours. // Journal of Geoscience Education, 2002, v. 50, n. 4, September, p. 428—436.
137. Kennelly P.J. Hillshading with oriented halftones. // Cartographic perspectives. Fall 2002, pp. 25—42.
138. Kennelly P.J., Kimerling A.J. Desktop hachure maps from digital elevation models // Cartographic perspectives. Fall 2000, pp. 78—81.
139. Kennelly P.J., Kimerling A.J. Modifications of Tanaka's Illuminated Contour Method // Cartography and Geographic Information Sciences, 2001, vol.28, No.2, pp.111—123.
140. Kilpelainen T. Maintenance of multiple representation databases for topographic data. // Proceedings of International Workshop on Dynamic and Multi-Dimensional GIS, Hong Kong: The Hong Kong Polytechnic university, 1997, pp. 116-127.
141. Kim, K. M., Park, J. J., Song, M. H., Kim, I. C., Suen, C. Y. Detection of ridges and ravines using fuzzy logic operations. // T. K. Ho (ed.). Pattern Recognition Letters. 2004, 25/6, pp. 743751.
142. Kobbelt L., Campagna S., Seidel H. P. A general framework for mesh decimation // Proceedings of Graphics Interface, 1998, pp. 43-50.
143. Kok R„ Begin J. Evaluation of automatic contouring methods for drainage design // Transactions of the ASAE, 1981, 24(1), pp.87-96.
144. Z. An Algorithm for Compressing Digital Contour Data, The Cartographic Journal, 1988, 25, 143-146.
145. Z. Algorithmic Foundation of multi-scale spatial representation. CRC Press, 2007, 310 p.
146. Z., Ho A. Design of multi-scale and dynamic maps for land vehicle navigation. The Cartographic Journal, 2004, 41(3): 265-70.
147. Z„ Openshaw S. Algorithms for Automated Line Generalization Based on a Natural Principle of Objective Generalization // Internatioanl Journal of Geographic Information Systems. 1992, 6,5, pp. 373-389.
148. Z., Sui H. An Integrated Technique for Automated Generalization of Contour Maps. // The Cartographic Journal, 2000, 37(1), pp. 29-37.
149. Marble D. Geographic Information Systems: an overview // Proceedings of Pecora 9, Sioux Falls, SD, 1984, pp 18-24.
150. Mark D. M. Automated Detection of Drainage Networks from Digital Elevation Models // Cartographies 1984, 21, 168-78.
151. Mark R. K. A multidirectional, oblique-weighted, shaded relief image of the island of Hawaii. US Geological Survey Open-File Report 92-422, U.S. Department of the Interior, 1992.
152. Matheron G. Splines and Kriging: their formal equivalence // Down to the earth statistics, D.F. Merriam (ed.), Academic Press, N.Y., Geology Contributions, 1981, pp. 77—95.
153. McMaster R.B., Shea K.S. Generalization in Digital Cartography. — Association of American Cartographers, Washington, DC, 1992.
154. Müller J.-C., Lagrange J.P., Weibel R. GIS and Generalization: Methodology and Practice. — Taylor & Francis, London, UK, 1995
155. Oberholzer C„ Hurni L. Visualization of change in the Interactive Multimedia Atlas of Switzerland // Computers & Geoscience, 2000, 26, pp. 37-43.
156. Oberländer T.M. A critical appraisal of • the inclined contour technique of surface representation // Annals, Association of American Cartographers, 1968, v. 58, p. 802-813.158
157. O'Callaghan J. F., Mark D.M. The extraction of drainage networks from digital elevation data. // Computer Vision, Graphics, and Image Processing, 1984, 28, 323-344.
158. O'Loughlin A., MacKaness W.A. Automated relief presentation for visualization of archeological monuments. // Proceedings of the 19th International Cartographic Conference, Ottawa, 1999, pp. 1029-1035.
159. Pain C.F. Multi-scale landscape mapping for catchment characterization // Proceedings of 2nd International Salinity Forum Salinity, water and society-global issues, local action. 31 March 3 April 2008, Adelaide, South Australia, Australia.
160. Patterson, T. Getting Real: Reflecting on the New Look of National Park Service Maps. // Cartographic Perspectives, Fall 2002, vol. 43.
161. Pedrini H. Multiresolution terrain modeling based on triangulated irregular networks. // Revista Brasileira de Geociencias, 2001, 31(2): 117-122.
162. Peled A., Loon J. C., Bossier, J. D. Producing Intermediate Contours from Digitized Contours, The American Cartographer, 1989, 16, 191-200.
163. Peng IV., Pilouk M. and Tempfli K. Generalizing Relief Representation Using Digitized Contours // International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna, 1996, 31 (B4), 649-54.
164. Peucker T.K. The use of computer graphics for displaying data in three dimensions // Cartographies 1980, v. 17, p. 59-72.
165. Peucker T. K., Douglas D. H. Detection of Surface Specific Points by Local Parallel Processing of Discrete Terrain Elevation Data. // Computer Graphics and Image Processing, 1975, №4, pp. 375-387.
166. Peucker T. K., Fowler R.J., Little J.J., Mark D.M. The triangulated irregular network // In Proc. DTM Symp. Am. Soc. Of Photogrammetry, Am. Congress on Survey and Mapping pages 24-31, 1978.
167. Peucker T.K., Tichenor M., Rase W.D. The computer version of three relief representations // Davis J.C., McCullagh M. (eds), Display and analysis of spatial data, 1975, New York, New York: John Wiley and Sons, pp. 187—197.
168. Podobnikar, T. Production of integrated terrain model from multiple datasets of different quality. // P. Fisher (ed.). International Journal of Geographical Information Science. 19/1, pp. 69-89, 2005.
169. Raisz, E. The physiographic method of representing scenery on maps. Geographical Review, 1931,21(2), pp. 297-304.
170. Regnauld, N. MacKaness, W. and Hart G. Automated Relief Representation for Visualisation of Archaeological Monuments and Anthropogenic Forms // Computers,159
171. Environment and Urban Systems, 2002, 26 (2-3), pp. 219-239 Final Report of the Edingburgh Hachure Algorithm Project.
172. Rhind D. A GIS research agenda. // International Journal of Geographical Information Systems. —1988, №2(1). — pp. 23-28.
173. Robinson A.H., Thrower N.J.W. A New Method of Terrain Representation // Geographical Review, 1957, Vol. 47, No. 4, pp. 507—520.
174. Robinson A.H.ï Thrower N.J. W. On surface representation using traces of parallel inclined planes // Annals, Association of American Cartographers, 1969, v. 59, p. 600-603.
175. Romstad B„ Etzelmuller B. Structuring the Digital Elevation Model into Landform Elements through Watershed Segmentation of Curvature // Proceedings of Geomorphometry 2009. Zurich, Switzerland, 31 August 2 September, 2009, pp. 55-60.
176. Saito T., Takahashi T. "Comprehensible Rendering of 3-D Shapes", Computer Graphics, 1990, 24(4), pp. 197-206
177. Samsonov T. Cement industry in CISC AS region, ESRI Map Book, Vol. 25, 2010, pp. 1617.
178. Sasada T. T., 1987, "Drawing natural scenery by computer graphics", CAD, 19(4), pp. 212218
179. Schroder F., Robbach P. Managing the complexity of digital terrain models. // Computer & Graphics, 1994, 18, pp. 775-783.
180. Shepard D. A two-dimensional interpolation function for irregularly spaced data // Proceedings, 23rd National Conference, Association of Computing Machinery, 1968, pp. 517— 524.
181. StrykerM., Roth R.E., Brewer C.A. ScaleMaster.org: Illustrating and constructing the multi-scale mapping process. // Proceedings of GIScience 2008. Park City, UT, September 24, 2008.
182. Tanaka K. The Orthographical Relief Method of Representing Hill Features on a Topographical Map // The Geographical Journal, 1932, Vol. 79, No. 3, pp. 213—219
183. Tanaka K. The relief contour method of representing topography on maps // Geographical Review, 1950, 40, pp. 444—456.
184. Tang L. Automatic Extraction of Specific Geomorphological Elements from Contours // Geo-Informations-Systems, 1992, 5, 20-27.
185. Thrower N.J. W. Extended uses of the method of orthogonal mapping of traces of parallel, inclined planes with a surface, especially terrain // International Yearbook of Cartography, 1963, v. 3, pp. 26-28.
186. Tien Tay L., Daya Sagar B. S. Analysis of Geophysical Networks Derived From Multiscale Digital Elevation Models: A Morphological Approach // IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE1601. SENSING LETTERS, 2005
187. Tobler W. R. Numerical map generalization. Michigan Inter-University Community of mathematical Geographers Discussion Paper 8. — Dept. of Gepgraphy, University of Michigan, An Arbor, MI, USA, 1966.
188. Torun, A., B. Kobben, and R. Lemmens. Processing spatial data on the Internet. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, 2000, 33(B6): 269-78.
189. Tribe A. Automated recognition of valley lines and drainage networks from grid digital elevation models: a review and a new method. // Journal of Hydrology 139, 1992, pp. 263—293.
190. Vangenot C. Multi-representation in spatial databases using the MADS conceptual model // ICA Workshop on Generalisation and Multiple representation — 20-21 August 2004 — Leicester, 8 pp.
191. Vázquez, J. P., Pascual, J. P., Generalization of height points in trail maps. // Proceedings of 4th ICA Mountain Cartography Workshop. 2004.
192. Viet Lam T. A new algorithm for DTM generalization. // Proceedings of the Fifth European Conference and Exhibition on Geographic Information Systems, EGIS "94. Utrecht: EGIS Foundation, 1994, pp 313-317
193. Visvalingam M., Whyatt J.D. Line Generalization by Repeated Elimination of Points // The Cartographic Journal, 1993, Vol. 30 (1), pp. 46—51.
194. Wan G., Zhu C. Application of multi-band wavelet on simplifying DEM with loss of feature information. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1999, 28 (1), pp. 36-40.
195. Wang D., Laffan, S. W. Characterisation of valleys from DEMs // Proceedings of 18th World IMACS / MODSIM Congress, Cairns, Australia 13-17 July 2009, pp 2014-2020.
196. Wang Z. S., Miiller J. C. Complex Coastline Generalization // Cartography and Geographic Information Systems. 1992, 20, 2, 96-106.
197. Wang Y. H., Chen J., Jian J. Multi-Scale Conceptual Model for GIS Geographical Features // Journal of China University of Mining & Technology, vol. 32(4), 2003, pp. 376-382.
198. Watson D.F. Contouring: A Guide to the Analysis and Display of Spatial Data. Pergamon, Oxford, 321 pp.
199. Weibel R. An Adaptive Methodology for Automated Relief Generalization. // Proceedings of Auto-Carto 8, Baltimore, Maryland, USA, 1987, pp. 42-49.
200. Weibel R. Model and Experiments for Adaptive Computer-Assisted Terrain Generalization. // Cartography and Geographic Information Systems, 1992, 19(3), pp. 133- 153.161
201. Weibel R„ Heller M. Digital Terrain Modeling // Geographical Information Systems: principles and applications, Maguire D.J., Goodchild M.F., Rhind W.D., eds., 1991, Longman, London, Vol.1, pp.269—297
202. Wood J. Scale-based Characterization of Digital Elevation Models // Innovations in GIS (3), CRC Press, 1996. pp. 163-175.
203. Wu F. A Model for Multi-scale Handling and Representation of Relief Based on Wavelet Analysis // Proceeding of the 3th surveying and mapping workshop across strait, Hong Kong, 2000, pp. 435-441
204. Wu F. Multi-scale Automatic Extraction of Terrain Structure Lines Based on Wavelet Analysis // Proceedings of CA-CMC-Session, Beijing, China, 2001, 6 pp.
205. WuH.H. Prinzip und Methode der automatischen Generalisierung der Reliefformen. // Nachrichten aus dem Karten- und Vermessungswesen, Series 1, 1981, Vol. 85, pp. 163-174.
206. WuH.H. Structured Approach to Implementing Automatic Cartographic Generalization. // Proceedings of the 18th ICC, Stockholm, Sweden, 1997, Vol. 1, pp. 349-356.
207. Yates S.R. CONTUR: a FORTRAN algorithm for two-dimensional high-quality contouring // Computer & Geosciences, 1987, 13(1), pp.61-76.
208. Yin Z.C. A Multi-Scale GIS Database Model Based On Petri Net // ISPRS Workshop on Service and Application of Spatial Data Infrastructure, XXXVI(4/W6), Hangzhou, China, Oct. 14-16, 2005, pp. 271-275.
209. YoeliP. Relief Shading// Surveying and Mapping, 1959, Vol. 19 (2), pp. 229-232.
210. Yoeli P. The Mechanization of Analytical Hillshading // The Cartographic Journal, 1967, Vol.4 (2), pp.82—87.
211. Yoeli P. Computer-aided relief presentation by traces of inclined planes // American Cartographer, 1976, Vol.3 (1), pp.75—85.
212. Yoeli P. Shadowed contours with computer and plotter // The American Cartographer, 1983, 10, pp.101—110.
213. Yoeli P. Computer-assisted determination of the valley and ridge lines of digital terrain models // International Yearbook of Cartography, 1984, vol. 24, pp. 197-206.
214. Yoeli P. Topographic relief depiction by hachures with computer and plotter. // Cartographic Journal, 1985, vol. 22, pp. 111—124.
215. Yokohama R„ Shirasawa M„ Pike R. J. Visualizing Topography by Openness: A New Application of Image Processing to Digital Elevation Models // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 68(3), 2002, pp. 257-265.
216. ZaksekK., Podobnikar T. An effective DEM generalization with basic GIS operations. // 8th 1С A WORKSHOP on Generalisation and Multiple Representation. A Coruna, July 7-8th, 2005.
217. Zhang C., Pan M., Wu II, Xu H., 2007. Study on simplification of contour lines preserving topological coherence. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2007, 43 (2), pp. 216-2221. Ресурсы Интернета:
218. ASTER GDEM Validation Summary Report // http://www.ersdac.or. ip/GDEM/E/image/ ASTERGDEM ValidationSummaryReport Verl.pdf
219. ASTER Global Digital Elevation Map Announcement // http: //astenveb .ipl. nasa. gov/ gdem. asp
220. GTOP030 Documentation // http://eros.usgs.aov/ecms/documents/products/GTOPQ30 README.doc
221. Patterson T. About US Physical Map // http://www.shadedrelief.com/physical/pages/ab(>m.hlmi Patterson T. Using Cross-blended Hypsometric Tints for Generalized Environmental Mapping // http://www.shadedrclief.comyhvpso/h\^so.html
-
Самсонов, Тимофей Евгеньевич
-
кандидата географических наук
-
Москва, 2010
-
ВАК 25.00.33
- Разработка топографо-картографического сегмента единого геоинформационного пространства Германии в рамках новой модели геоданных AFIS-ALKIS-ATKIS
- Информационная концепция картографического мониторинга геосистем
- Разработка согласованной базы геоданных на основе множественно-реляционной модели
- Геоэкологическое картирование природно-техногенных систем на основе ГИС-технологий
- Научные основы картографического обеспечения системы земельного кадастра
